974 lines
33 KiB
C++
974 lines
33 KiB
C++
/* -----------------------------------------------------------------------------
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Copyright (c) 2024 Mu Shibo
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Modify by Tommy 2025.8.11
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2025-08-16 优化了原世博开源轮足平衡逻辑，代码增加了较多备注。
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2025-08-11 增加开机自平衡站立，简化控制，通过 esp32 遥控器直接控制，无需配网。
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2025-08-16 对几种运动中倒地的极限状态进行优化，实现自平衡起身。
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2025-09-14 增加坐下和起立功能。
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2025-09-16 修复舵机发热问题。
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2025-09-19 实现向前跳跃，运动中跳跃，落地平衡功能。
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2025-09-29 将舵机标定2048位置统一为大腿与小腿碰到一起的位置
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世博开源轮足优化版-TOMMY版本项目地址： https://gitee.com/myperworld/wrobot
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----------------------------------------------------------------------------- */
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#include <esp_now.h>
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#include <WiFi.h>
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#include "esp_wifi.h"
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#include "main.h"
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/************实例定义*************/
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// 电机实例
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BLDCMotor motor1 = BLDCMotor(7);
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BLDCMotor motor2 = BLDCMotor(7);
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BLDCDriver3PWM driver1 = BLDCDriver3PWM(32, 33, 25, 22);
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BLDCDriver3PWM driver2 = BLDCDriver3PWM(26, 27, 14, 12);
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// 编码器实例
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TwoWire I2Cone = TwoWire(0);
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TwoWire I2Ctwo = TwoWire(1);
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MagneticSensorI2C sensor1 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);
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MagneticSensorI2C sensor2 = MagneticSensorI2C(AS5600_I2C);
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// PID控制器实例
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PIDController pid_angle(1, 0, 0, 100000, 8); // pitch角度PID使其趋于零点
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PIDController pid_gyro(0.06, 0, 0, 100000, 8); // 角速度PID使其趋于零点
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PIDController pid_distance(0.5, 0, 0, 100000, 8);// 位移PID使其趋于零点
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PIDController pid_speed(0.7, 0, 0, 100000, 8);// 速度PID使其趋于目标速度
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PIDController pid_yaw_angle(1.0, 0, 0, 100000, 8);
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PIDController pid_yaw_gyro(0.04, 0, 0, 100000, 8);
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PIDController pid_lqr_u(1, 15, 0, 100000, 8);
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PIDController pid_zeropoint(0.002, 0, 0, 100000, 4);
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PIDController pid_roll_angle(8, 0, 0, 100000, 450);
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// 低通滤波器实例
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LowPassFilter lpf_joyy(0.2);
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LowPassFilter lpf_zeropoint(0.1);
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LowPassFilter lpf_roll(0.3);
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// WebServer实例
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WebServer webserver; // server服务器
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WebSocketsServer websocket = WebSocketsServer(81); // 定义一个webSocket服务器来处理客户发送的消息
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RobotProtocol rp(20);
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// STS舵机实例
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SMS_STS sms_sts;
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// MPU6050实例
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MPU6050 mpu6050(I2Ctwo);
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/************参数定义*************/
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#define pi 3.1415927
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// 舵机位置限制参数
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#define SERVO_DEAD_ZONE 5 // 设置死区阈值 最小更新间隔(ms)
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#define LEG_HEIGHT_BASE 20 // 腿部默认高度基准值，值越小，机身越高， 实测范围 -10（最高），52（最低）
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#define SERVO1_MIN 2048 // 舵机1最低位置，大腿与小腿碰到一起，从小车正面看右手边舵机
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#define SERVO2_MIN 2048 // 舵机2最低位置，大腿与小腿碰到一起， 从小车正面看左手
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#define SERVO1_MAX (2048 + 12 + 8.4 * (35 + 10)) // 舵机1最高
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#define SERVO2_MAX (2048 - 12 - 8.4 * (35 + 10)) // 舵机2最高
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int lastPosition0 = SERVO1_MIN;
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int lastPosition1 = SERVO2_MIN;
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// LQR自平衡控制器参数
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float LQR_angle = 0;
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float LQR_gyro = 0;
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float LQR_gyroZ = 0;
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float LQR_speed = 0;
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float LQR_distance = 0;
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float angle_control = 0;
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float gyro_control = 0;
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||
float speed_control = 0;
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float distance_control = 0;
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float LQR_u = 0;
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float angle_zeropoint = 5; // 5 设定默认俯仰角度，向前到正，向后倒负
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float original_angle_zeropoint = 5; // 保存原始的角度零点
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float distance_zeropoint = 0.5f; // 轮部位移零点偏置
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// YAW轴控制数据
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float YAW_gyro = 0;
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float YAW_angle = 0;
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float YAW_angle_last = 0;
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float YAW_angle_total = 0;
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float YAW_angle_zero_point = -10;
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float YAW_output = 0;
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// 腿部舵机控制数据
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byte ID[2];
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s16 Position[2];
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u16 Speed[2];
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byte ACC[2];
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// 逻辑处理标志位
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float robot_speed = 0; // 记录当前轮部转速
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float robot_speed_last = 0; // 记录上一时刻的轮部转速
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int wrobot_move_stop_flag = 0; // 记录摇杆停止的标识
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int jump_flag = 0; // 跳跃时段标识
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float leg_position_add = 0; // roll轴平衡控制量
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// 电压检测
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uint16_t bat_check_num = 0;
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int BAT_PIN = 35; // select the input pin for the ADC
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static esp_adc_cal_characteristics_t adc_chars;
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static const adc1_channel_t channel = ADC1_CHANNEL_7;
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static const adc_bits_width_t width = ADC_WIDTH_BIT_12;
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static const adc_atten_t atten = ADC_ATTEN_DB_12;
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static const adc_unit_t unit = ADC_UNIT_1;
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int loopCounter = 0; // loop函数执行计数
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int resetToDefaultCounter = 0; // resetToDefault执行计数
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// 电量显示LED
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#define LED_BAT 13
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// 定义摇杆数值死区参数
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const int deadZone = 15;
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// 小车状态控制
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bool robot_enabled = true; // 小车使能状态，true为起立状态，false为坐下状态
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bool last_robot_enabled = true; // 记录上一次的小车状态
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bool sitting_down = false; // 标记是否正在执行坐下动作
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// 向前跳跃控制变量
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int forward_jump_flag = 0; // 向前跳跃状态标志
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typedef struct {
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byte j1PotX; // 左摇杆X (0-255)
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byte j1PotY; // 左摇杆Y (0-255)
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byte j2PotX; // 右摇杆X (0-255)
|
||
byte j2PotY; // 右摇杆Y (0-255)
|
||
bool buttonR1; //底部右按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool buttonR2; //底部左按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool j1Button; //左摇杆按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool j2Button; //右摇杆按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool buttonLB; //顶部左按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool buttonRB; //顶部右按键 1：true （默认），0：false
|
||
bool tSwitch1; //拨动开关 1：true （默认），0：false
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||
byte roll; // 默认 127
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byte pitch; // 默认 127
|
||
bool buttonR3; // 默认 1
|
||
} JoystickData;
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JoystickData remoteData;
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||
// 蓝灯爆闪
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bool lastbuttonLB = false;
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// ESP-NOW接收回调函数
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void OnDataRecv(const uint8_t *mac, const uint8_t *incomingData, int len) {
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memcpy(&remoteData, incomingData, sizeof(remoteData));
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||
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||
// 取反按钮值，使得默认显示 0 false，按下显示 1 true
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||
int convertedbuttonLB = !remoteData.buttonLB; // 顶部左
|
||
int convertedbuttonRB = !remoteData.buttonRB; // 顶部右
|
||
int convertedbuttonR1 = !remoteData.buttonR1; // 底部右按键（取反：默认0，按下1）
|
||
int convertedbuttonR2 = !remoteData.buttonR2; // 底部左按键（取反：默认0，按下1）
|
||
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||
// 处理坐下/起立指令
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||
if (convertedbuttonR2 && robot_enabled) { // 底部左按键按下，坐下
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||
robot_enabled = false;
|
||
sitting_down = true; // 标记开始坐下动作
|
||
original_angle_zeropoint = angle_zeropoint; // 保存当前的角度零点
|
||
}
|
||
if (convertedbuttonR1 && !robot_enabled) { // 底部右按键按下，起立
|
||
robot_enabled = true;
|
||
sitting_down = false; // 清除坐下动作标记
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||
resetToDefault(); // 重置参数准备起立
|
||
}
|
||
|
||
// 如果小车处于坐下状态或正在执行坐下动作，不处理其他指令
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||
if (!robot_enabled || sitting_down) {
|
||
wrobot.dir = 4; // 强制设为"不跳跃"
|
||
wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令
|
||
wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令
|
||
wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令
|
||
wrobot.height = 0; // 清空高度指令
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
// 跳跃状态不接受指令
|
||
if( jump_flag > 0){
|
||
wrobot.dir = 4; // 强制设为“不跳跃”
|
||
wrobot.joyx = 0; // 清空左右转向指令
|
||
wrobot.joyy = 0; // 清空前后移动指令
|
||
wrobot.roll = 0; // 清空左右摇摆指令
|
||
return;
|
||
}
|
||
|
||
// 摇杆输出范围0-255，转换到 -100 到 100
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||
// roll 左右摇摆
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||
int convertedJ1PotX = (remoteData.j1PotX - 127.5) * (30.0 / 127.5); // 转到 -30 到 30
|
||
// 上下高度
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||
int convertedJ1PotY = static_cast<int>((1 - remoteData.j1PotY / 255.0) * (60 - 0) + 0); // 转到 60 到 0 y轴取反，这样可以使机身下降
|
||
// 左右旋转
|
||
int convertedJ2PotX = (remoteData.j2PotX - 127.5) * (100.0 / 127.5); // 转到 -100 到 100
|
||
// 前后速度
|
||
int convertedJ2PotY = (remoteData.j2PotY - 127.5) * (100.0 / 127.5) * -1 * 1.4; // 转到 -100 到 100 y轴取反,并且放大洗漱
|
||
|
||
|
||
// 跳跃
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||
if (convertedbuttonRB) { // 1=true，0=false
|
||
wrobot.dir = 5; // 跳跃
|
||
}else{
|
||
wrobot.dir = 4; // 不跳跃
|
||
}
|
||
|
||
// 向前跳跃
|
||
if (lastbuttonLB && !convertedbuttonLB && robot_enabled) {
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||
forward_jump_flag = 1;
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||
}
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||
// 更新上次 lastbuttonRB 的值
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||
lastbuttonLB = convertedbuttonLB;
|
||
|
||
if(abs(convertedJ1PotY) > deadZone) { // 上下高度 15 ~ 75
|
||
wrobot.height = convertedJ1PotY;
|
||
}else{
|
||
wrobot.height = 0;
|
||
}
|
||
|
||
if(abs(convertedJ1PotX) > deadZone) { // 左右摇摆 -30 ~ 30
|
||
wrobot.roll = convertedJ1PotX;
|
||
}else{
|
||
wrobot.roll = 0;
|
||
}
|
||
if(abs(convertedJ2PotY) > deadZone) { // 前后运动 -100 到 100
|
||
wrobot.joyy = convertedJ2PotY;
|
||
}else{
|
||
wrobot.joyy = 0;
|
||
}
|
||
if(abs(convertedJ2PotX) > deadZone) { // 左右运动 -100 到 100
|
||
wrobot.joyx = convertedJ2PotX;
|
||
} else {
|
||
wrobot.joyx = 0;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
void setup()
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{
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||
Serial.begin(115200); // 通讯串口
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||
Serial2.begin(1000000); // 腿部sts舵机
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||
|
||
// 模式1：适配遥控器模式，设置WiFi通道为6
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||
// WiFi.mode(WIFI_STA); // 设置为STA模式
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||
// esp_wifi_set_channel(6, WIFI_SECOND_CHAN_NONE); // 设置WiFi通道为6，为了适配遥控器模式
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||
|
||
// 模式2：适配小车wifi热点模式
|
||
WiFi_SetAP(); // 打开这行注释就能开启热点模式
|
||
|
||
webserver.begin();
|
||
webserver.on("/", HTTP_GET, basicWebCallback);
|
||
websocket.begin();
|
||
websocket.onEvent(webSocketEventCallback);
|
||
|
||
// 初始化ESP-NOW
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||
if (esp_now_init() != ESP_OK) {
|
||
Serial.println("Error initializing ESP-NOW");
|
||
return;
|
||
}
|
||
esp_now_register_recv_cb(OnDataRecv);
|
||
|
||
// Serial.print("WIFI channel:");
|
||
// Serial.println(WiFi.channel());
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||
|
||
// 舵机初始化
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sms_sts.pSerial = &Serial2;
|
||
ID[0] = 1;
|
||
ID[1] = 2;
|
||
ACC[0] = 30;
|
||
ACC[1] = 30;
|
||
Speed[0] = 400;
|
||
Speed[1] = 400;
|
||
Position[0] = SERVO1_MIN;
|
||
Position[1] = SERVO2_MIN;
|
||
// 舵机(ID1/ID2)以最高速度V=2400步/秒，加速度A=50(50*100步/秒^2)，运行至各自的Position位置
|
||
sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
|
||
// 电压检测
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||
adc_calibration_init();
|
||
adc1_config_width(width);
|
||
adc1_config_channel_atten(channel, atten);
|
||
esp_adc_cal_characterize(unit, atten, width, 0, &adc_chars);
|
||
|
||
// 电量显示LED
|
||
pinMode(LED_BAT, OUTPUT);
|
||
|
||
// 编码器设置
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||
I2Cone.begin(19, 18, 400000UL);
|
||
I2Ctwo.begin(23, 5, 400000UL);
|
||
sensor1.init(&I2Cone);
|
||
sensor2.init(&I2Ctwo);
|
||
|
||
// mpu6050设置
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||
mpu6050.begin();
|
||
mpu6050.calcGyroOffsets(true);
|
||
|
||
// 连接motor对象与编码器对象
|
||
motor1.linkSensor(&sensor1);
|
||
motor2.linkSensor(&sensor2);
|
||
|
||
// 速度环PID参数
|
||
motor1.PID_velocity.P = 0.05;
|
||
motor1.PID_velocity.I = 1;
|
||
motor1.PID_velocity.D = 0;
|
||
|
||
motor2.PID_velocity.P = 0.05;
|
||
motor2.PID_velocity.I = 1;
|
||
motor2.PID_velocity.D = 0;
|
||
|
||
// 驱动器设置
|
||
motor1.voltage_sensor_align = 6;
|
||
motor2.voltage_sensor_align = 6;
|
||
driver1.voltage_power_supply = 8;
|
||
driver2.voltage_power_supply = 8;
|
||
driver1.init();
|
||
driver2.init();
|
||
|
||
// 连接motor对象与驱动器对象
|
||
motor1.linkDriver(&driver1);
|
||
motor2.linkDriver(&driver2);
|
||
|
||
motor1.torque_controller = TorqueControlType::voltage; // 扭矩控制器类型为 "电压模式"
|
||
motor2.torque_controller = TorqueControlType::voltage;
|
||
motor1.controller = MotionControlType::torque; // 运动控制器类型为 "扭矩模式"
|
||
motor2.controller = MotionControlType::torque;
|
||
|
||
|
||
// monitor相关设置
|
||
motor1.useMonitoring(Serial);
|
||
motor2.useMonitoring(Serial);
|
||
// 电机初始化
|
||
motor1.init();
|
||
motor1.initFOC();
|
||
motor2.init();
|
||
motor2.initFOC();
|
||
|
||
resetToDefault(); // 重置到默认参数状态
|
||
|
||
delay(500);
|
||
}
|
||
|
||
void loop()
|
||
{
|
||
|
||
// 检测小车状态变化 坐 -> 站
|
||
if (robot_enabled && !last_robot_enabled) {
|
||
// 从坐下状态变为起立状态，重置参数
|
||
resetToDefault();
|
||
}
|
||
last_robot_enabled = robot_enabled;
|
||
|
||
// 如果小车处于坐下状态，只执行必要的功能
|
||
if (!robot_enabled) {
|
||
bat_check(); // 电压检测
|
||
web_loop(); // Web数据更新
|
||
mpu6050.update(); // IMU数据更新
|
||
|
||
// 如果正在执行坐下动作，逐步调整角度零点让小车向后倒
|
||
if (sitting_down) {
|
||
// 缓慢调整角度零点，使小车向后倒
|
||
static int sit_counter = 0;
|
||
sit_counter++;
|
||
|
||
// 先给个向后退脉冲
|
||
if (sit_counter < 30) {
|
||
// 阶段1：设置电机目标为负数，使小车向后运动
|
||
motor1.target = -1.0; // 负数小车向后，正数向前
|
||
motor2.target = -1.0;
|
||
} else {
|
||
// 阶段2：停止电机，让小车自然向后倒
|
||
motor1.target = 0;
|
||
motor2.target = 0;
|
||
}
|
||
motor1.loopFOC();
|
||
motor2.loopFOC();
|
||
motor1.move();
|
||
motor2.move();
|
||
|
||
// 当sit_counter为0时，设置舵机到最低位置
|
||
if (sit_counter == 0) {
|
||
Position[0] = SERVO1_MIN;
|
||
Position[1] = SERVO2_MIN;
|
||
ACC[0] = 5;
|
||
ACC[1] = 5;
|
||
Speed[0] = 100;
|
||
Speed[1] = 100;
|
||
sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
}
|
||
|
||
if (sit_counter < 100) { // 分100步完成坐下动作
|
||
// 逐步将平衡零点变成负数，小车抬头（向后倒）
|
||
angle_zeropoint -- ;
|
||
} else {
|
||
// 坐下动作完成，设置到最低位置和最终角度零点
|
||
sit_counter = 0;
|
||
sitting_down = false;
|
||
angle_zeropoint = -20; // 最终的角度零点，确保小车向后倒
|
||
}
|
||
} else {
|
||
// 已经坐下，保持最低位置和向后倒的角度零点
|
||
angle_zeropoint = -15; // 保持向后倒的角度零点
|
||
}
|
||
|
||
return; // 跳过其他控制
|
||
}
|
||
|
||
bat_check(); // 电压检测 <1ms
|
||
web_loop(); // Web数据更新 <2ms
|
||
mpu6050.update(); // IMU数据更新 <1ms
|
||
lqr_balance_loop(); // lqr自平衡控制，更新LQR_u ★ 关键实时控制 2-3ms
|
||
yaw_loop(); // yaw轴转向控制，更新YAW_output ★ 关键实时控制 1-2ms
|
||
leg_loop(); // 腿部动作控制，控制舵机SyncWritePosEx，包括判断jump_loop 舵机控制 1ms
|
||
|
||
// 记录上一次的遥控数据数据
|
||
wrobot.dir_last = wrobot.dir;
|
||
wrobot.joyx_last = wrobot.joyx;
|
||
wrobot.joyy_last = wrobot.joyy;
|
||
|
||
/* 将自平衡计算输出转矩赋给电机
|
||
motor.target 负数小车向前转，正数小车向后转，
|
||
LQR_u 越大，电机输出的转矩越大，电机向后转，默认0-8V
|
||
LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control
|
||
|
||
angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint) //LQR_u与实际LQR_angle正相关
|
||
= pid_angle( mpu6050.getAngleY() - angle_zeropoint) //LQR_u与实际pitch正相关
|
||
gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro) //LQR_u与实际LQR_gyro正相关
|
||
= pid_gyro( mpu6050.getGyroY() ) //LQR_u与实际pitch 角速度 正相关
|
||
|
||
所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5,不能单看负号
|
||
distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint) //LQR_u与电LQR_distance正相关
|
||
= pid_distance( (-0.5)*(motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle) - distance_zeropoint)
|
||
//在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以LQR_u与电机实际shaft_angle角度正相关，和负号没关系
|
||
|
||
speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy)) // 实际速度-目标速度
|
||
//LQR_speed代表实际速度，LQR_u与实际LQR_speed速度正相关
|
||
= pid_speed( (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity) - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy))
|
||
//LQR_u与实际shaft_velocity速度正相关
|
||
*/
|
||
motor1.target = (-0.5) * (LQR_u + YAW_output); // 负数小车向前，正数小车向后，取负号是因为电机是反的
|
||
motor2.target = (-0.5) * (LQR_u - YAW_output);
|
||
|
||
// 查看角度信息, 屁股向后倒 -33~-34度,舵机2048的时候-42度，头向前到底 75度，完全垂直88度
|
||
// Serial.println(LQR_angle);
|
||
|
||
// 检测小车是否向后马上要倒地了，在中间过程重置所有参数
|
||
loopCounter++;
|
||
// loopCounter作用：在期初的800次循环内视为电源开通后第一次自平衡，不能进入resetToDefault()函数重置参数
|
||
// resetToDefaultCounterz作用：防止小车倒地后某个角度，陷入循环，motor.target一直=0
|
||
if ((LQR_angle < -35.0f || LQR_angle > 70.0f ) && loopCounter > 800 && resetToDefaultCounter < 130) {
|
||
resetToDefault();
|
||
resetToDefaultCounter++;
|
||
motor1.target = 0;
|
||
motor2.target = 0;
|
||
}
|
||
|
||
if( abs(LQR_angle) < 25.0f){
|
||
resetToDefaultCounter = 0;
|
||
}
|
||
|
||
// target目标电压 0~8V, 0为不转, 8为最大转速
|
||
// Serial.print("LQR_angle:");
|
||
// Serial.println(LQR_angle);
|
||
// // Serial.print(",loopCounter:");
|
||
// // Serial.print(loopCounter);
|
||
// Serial.print(",resetToDefaultCounter:");
|
||
// Serial.print(resetToDefaultCounter);
|
||
// // Serial.print(",motor1.target:");
|
||
// // Serial.print(motor1.target);
|
||
// Serial.print(",motor2.target:");
|
||
// Serial.println(motor2.target);
|
||
|
||
// 监测速度变化
|
||
// int speed_delta = robot_speed - robot_speed_last;
|
||
// if(speed_delta > 0){
|
||
// Serial.print("speed_delta:");
|
||
// Serial.print(speed_delta);
|
||
// Serial.print(",robot_speed:");
|
||
// Serial.println(robot_speed);
|
||
// }
|
||
|
||
// 处理向前跳跃
|
||
if (forward_jump_flag) {
|
||
forward_jump_flag++;
|
||
if (forward_jump_flag < 25) {
|
||
// 保持向前脉冲
|
||
motor1.target = 1.8;
|
||
motor2.target = 1.8;
|
||
} else {
|
||
// 跳跃结束，重置状态
|
||
forward_jump_flag = 0;
|
||
wrobot.dir = 5; // 跳跃
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 迭代计算FOC相电压
|
||
motor1.loopFOC();
|
||
motor2.loopFOC();
|
||
|
||
// 设置轮部电机输出
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||
motor1.move();
|
||
motor2.move();
|
||
|
||
} // loop()
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||
|
||
// lqr自平衡控制
|
||
void lqr_balance_loop()
|
||
{
|
||
|
||
// LQR_distance,LQR_speed,LQR_angle,LQR_gyro 通过编码器或者mpu实际测得
|
||
// angle_zeropoint，distance_zeropoint 角度零点和位置零点（在理想平衡状态下俯仰角度和位移目标值），用于和实际值做差，得到控制
|
||
// lqr 控制参数： angle_control , gyro_control , distance_control , speed_control
|
||
|
||
// LQR平衡算式，实际使用中为便于调参，讲算式分解为4个P控制，采用PIDController方法在commander中实时调试
|
||
// LQR_u = LQR_k1*(LQR_angle - angle_zeropoint)
|
||
// + LQR_k2*LQR_gyro
|
||
// + LQR_k3*(LQR_distance - distance_zeropoint)
|
||
// + LQR_k4*LQR_speed;
|
||
|
||
// 给负值是因为按照当前的电机接线，正转矩驱动小车电机向后转
|
||
// 编码器反馈shaft_angle角度，shaft_velocity速度
|
||
// 不操作前后移动，譬如刚开机，车轮不动的，shaft_angle和shaft_velocity 都是零
|
||
// 所以，不操作前后移动，LQR_distance 和 LQR_speed趋近于0，只有角度控制和角速度控制
|
||
// 在平衡车中，通常设定电机向后转（使车前进）为负，所以这里LQR_distance和LQR_speed的计算乘以-0.5
|
||
LQR_distance = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle); // 两个电机的旋转角度（shaft_angle）（是位置量）的平均值
|
||
LQR_speed = (-0.5) * (motor1.shaft_velocity + motor2.shaft_velocity); // 两个电机角速度（shaft_velocity）的平均值，并取反
|
||
LQR_angle = (float)mpu6050.getAngleY(); // mpu6050 pitch 角度，向前倒正数，向后倒负数
|
||
LQR_gyro = (float)mpu6050.getGyroY(); // pitch Y轴角速度
|
||
|
||
// 计算pitch的角度和角速度的pid控制值
|
||
// 实际pitch角度与零点的差值，目标值是零
|
||
// 计算角度误差，并通过 PID 控制器得到角度控制量
|
||
angle_control = pid_angle(LQR_angle - angle_zeropoint);
|
||
// 实际pitch 角速度与目标值的差值，目标值是零
|
||
// 通过 PID 控制器对角速度进行处理，得到角速度控制量
|
||
gyro_control = pid_gyro(LQR_gyro);
|
||
|
||
// 运动细节优化处理
|
||
if (wrobot.joyy != 0) // 有前后方向运动指令时的处理
|
||
{
|
||
distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置
|
||
pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零
|
||
}
|
||
// joyy=0，没有输出前后运动，但是小车可能被推动，运动指令复零时的原地停车处理
|
||
if ((wrobot.joyx_last != 0 && wrobot.joyx == 0) || (wrobot.joyy_last != 0 && wrobot.joyy == 0))
|
||
{
|
||
wrobot_move_stop_flag = 1;
|
||
}
|
||
if ((wrobot_move_stop_flag == 1) && (abs(LQR_speed) < 0.5))
|
||
{
|
||
distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置
|
||
wrobot_move_stop_flag = 0;
|
||
}
|
||
|
||
if (abs(LQR_speed) > 15) // 被快速推动时的原地停车处理
|
||
{
|
||
distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置
|
||
}
|
||
|
||
// 轮足离地，重置位移零点
|
||
if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag > 0 ))
|
||
{
|
||
distance_zeropoint = LQR_distance;
|
||
}
|
||
|
||
// 计算pitch的角度和角速度的pid控制值
|
||
// 电机转轴角度平均数(上面计算)-位移零点=实际位移与零点的差值, 目标值是零
|
||
// 计算位移误差，并通过位移 PID 控制器得到位移控制量
|
||
distance_control = pid_distance(LQR_distance - distance_zeropoint);
|
||
// 电机转速平均数(上面计算)-速度目标值=实际转速与目标值的差值, 目标值是零
|
||
// 计算速度误差（实际速度减去经过低通滤波和缩放后的遥控器期望速度），并通过速度 PID 控制器得到速度控制量
|
||
speed_control = pid_speed(LQR_speed - 0.1 * lpf_joyy(wrobot.joyy));
|
||
|
||
// 轮部离地检测, 连续记录两次的轮部转速
|
||
robot_speed_last = robot_speed; // 记录连续两次的轮部转速
|
||
robot_speed = LQR_speed;
|
||
// 若轮部角速度、角加速度"过大"（ > 10或> 50）,或处于跳跃后的恢复时期（jump_flag != 0），认为出现轮部离地现象，需要特殊处理
|
||
// 轮部离地情况下 LQR_u计算：2个参数，角度控制量+角速度控制量，对轮位移(distance)和速度(speed)控制分量不输出；反之，正常状态下完整输出平衡转矩
|
||
// if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag != 0))
|
||
if (abs(robot_speed - robot_speed_last) > 10 || abs(robot_speed) > 50 || (jump_flag > 0 and jump_flag < 100))
|
||
{
|
||
// distance_zeropoint = LQR_distance; // 位移零点重置
|
||
LQR_u = angle_control + gyro_control; // 位移和速度控制分量被忽略
|
||
pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零
|
||
}
|
||
else // 当轮部未离地时，LQR_u：4个参数
|
||
{
|
||
// 当轮部未离地时，LQR_u 包含:角度控制量、角速度控制量、位移控制量和速度控制量，以实现完整的自平衡控制
|
||
LQR_u = angle_control + gyro_control + distance_control + speed_control;
|
||
// 计算得到LQR_u在loop()函数中在几个子loop执行完，被motor1和motor2执行
|
||
|
||
}
|
||
|
||
// 小车没有控制的时候自稳定状态
|
||
// 控制量lqr_u<5，控制量小， 遥控器无信号输入joyy=0，轮部位移控制正常介入distance_control<4，不处于跳跃后的恢复时期jump_flag=0
|
||
if (abs(LQR_u) < 5 && wrobot.joyy == 0 && abs(distance_control) < 4 && (jump_flag == 0))
|
||
{
|
||
|
||
LQR_u = pid_lqr_u(LQR_u); // 小转矩非线性补偿
|
||
// Serial.println(LQR_u);
|
||
|
||
// lpf_zeropoint 是一个低通滤波器，对 distance_control 进行滤波处理，减少高频噪声的影响。
|
||
// 然后，将滤波后的 distance_control 作为输入，通过 pid_zeropoint 控制器进行进一步处理。
|
||
// angle_zeropoint -= ...：将计算得到的调整量从 angle_zeropoint 中减去，实现重心自适应调整。
|
||
// angle_zeropoint 是预设的角度零点，调整它可以让小车更好地适应不同的重心位置。
|
||
angle_zeropoint -= pid_zeropoint(lpf_zeropoint(distance_control)); // 重心自适应
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
pid_lqr_u.error_prev = 0; // 输出积分清零
|
||
}
|
||
|
||
// 平衡控制参数自适应
|
||
if (wrobot.height < 50)
|
||
{
|
||
pid_speed.P = 0.7;
|
||
}
|
||
else if (wrobot.height < 64)
|
||
{
|
||
pid_speed.P = 0.6;
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
pid_speed.P = 0.5;
|
||
}
|
||
|
||
}
|
||
|
||
// 腿部动作控制（舵机）
|
||
void leg_loop()
|
||
{
|
||
|
||
// 倒地时强制腿部收缩
|
||
if (LQR_angle < -30.0f || LQR_angle > 45.0f)
|
||
{
|
||
Position[0] = SERVO1_MIN;
|
||
Position[1] = SERVO2_MIN;
|
||
safeSyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
return; // 跳过后续控制
|
||
}
|
||
|
||
jump_loop();
|
||
|
||
if (jump_flag == 0) // 不处于跳跃状态
|
||
{
|
||
// 舵机加速度
|
||
ACC[0] = 150; // max 230
|
||
ACC[1] = 150;
|
||
|
||
// 舵机速度
|
||
Speed[0] = 500;
|
||
Speed[1] = 500;
|
||
float roll_angle = (float)mpu6050.getAngleX() + 2.0;
|
||
leg_position_add = pid_roll_angle(lpf_roll(roll_angle));
|
||
|
||
int roll_offset = wrobot.roll;
|
||
int left_height, right_height;
|
||
|
||
// Serial.print("roll_offset: ");
|
||
// Serial.println(roll_offset);
|
||
|
||
// 如果控制了 roll 角度，则调整左右脚的高度
|
||
// 计算三角函数值
|
||
float angleRad = abs(roll_offset) * (pi / 180.0); // 将角度转换为弧度
|
||
float heightAdjust = 30 * sin(angleRad); // 小车宽度的一半是30毫米，抬高的高度是30毫米*sin(弧度)
|
||
float RollOffset = 18; // 所以水平高度需要加上调整高度，否则向下倾斜无法向下了
|
||
if (roll_offset > 10) {
|
||
// 正数，左脚高度 60，右脚高度 40
|
||
// 因为车身高度最小32，所以水平高度需要加上调整高度15，否则线下倾斜无法向下了
|
||
left_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust;
|
||
right_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust;
|
||
leg_position_add = 0; // 不使用roll角度 pid计算
|
||
} else if (roll_offset < -10) {
|
||
// 负数，左脚高度 40，右脚高度 60
|
||
left_height = wrobot.height + RollOffset - heightAdjust;
|
||
right_height = wrobot.height + RollOffset + heightAdjust;
|
||
leg_position_add = 0;
|
||
} else { // 未控制 roll 角度
|
||
// roll 为 0，左右恢复到同一高度
|
||
left_height = wrobot.height;
|
||
right_height = wrobot.height;
|
||
// 没有人为控制roll角度，leg_position_add根据mpu6050 roll值 进行pid计算得到，以保持小车机身平稳
|
||
// 但如果小车倒地，则不需要keep roll角度,否则小车倒在地上，1个脚长，1个脚短，很难看
|
||
if (abs(LQR_angle) > 25.0f)
|
||
{
|
||
leg_position_add = 0;
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 根据新的高度计算舵机位置
|
||
// id 1 [0] 正面看右手，id 2 正面看左手 [1]
|
||
// 2048是舵机中间位置，12是微调偏移量，8.4是系数，32是默认高度，最高80，最低32
|
||
// const int LEG_HEIGHT_BASE = 32; // 这值越小，机身越高，实测范围 0（最高），52（最低）
|
||
Position[0] = 2048 + 12 + 8.4 * (left_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add;
|
||
Position[1] = 2048 - 12 - 8.4 * (right_height - LEG_HEIGHT_BASE) - leg_position_add;
|
||
|
||
// 限制舵机位置范围
|
||
if (Position[0] < SERVO1_MIN) // 舵机1最低
|
||
Position[0] = SERVO1_MIN;
|
||
else if (Position[0] > SERVO1_MAX) // 舵机1最高
|
||
Position[0] = SERVO1_MAX;
|
||
|
||
if (Position[1] > SERVO2_MIN) // 舵机2最低（和舵机1方向是反的）
|
||
Position[1] = SERVO2_MIN;
|
||
else if (Position[1] < SERVO2_MAX) // 舵机2最高
|
||
Position[1] = SERVO2_MAX;
|
||
|
||
safeSyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 跳跃控制
|
||
void jump_loop()
|
||
{ // dir: 4 = STOP, 5 = jump 上次动作是跳跃5，本次是停止4，才开始跳，因为可能连续发送了很多5跳跃指令，只执行最后一次
|
||
// 跳跃，腿部以最快速度伸到最长
|
||
// if ((wrobot.dir_last == 5) && (wrobot.dir == 4) && (jump_flag == 0))
|
||
|
||
// 缩到最低，开启jump_flag计数
|
||
if ((wrobot.dir == 5) && (jump_flag == 0))
|
||
{
|
||
ACC[0] = 150;
|
||
ACC[1] = 150;
|
||
Speed[0] = 300;
|
||
Speed[1] = 300;
|
||
Position[0] = SERVO1_MIN;
|
||
Position[1] = SERVO2_MIN;
|
||
sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
|
||
jump_flag = 1;
|
||
}
|
||
|
||
if (jump_flag > 0) // 跳跃计数;
|
||
{
|
||
jump_flag ++;
|
||
}
|
||
|
||
// 跳跃开始
|
||
if(jump_flag == 20)
|
||
{
|
||
ACC[0] = 0;
|
||
ACC[1] = 0;
|
||
Speed[0] = 0;
|
||
Speed[1] = 0;
|
||
Position[0] = SERVO1_MAX;
|
||
Position[1] = SERVO2_MAX;
|
||
sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
}
|
||
|
||
// 跳跃中，腿部缩起来
|
||
if ((jump_flag > 35) && (jump_flag < 40))
|
||
{
|
||
ACC[0] = 0;
|
||
ACC[1] = 0;
|
||
Speed[0] = 0;
|
||
Speed[1] = 0;
|
||
Position[0] = (2048 + 12 + 8.4 * (35 - 30)); // 不能是SERVO1_MIN值，防止腿部碰撞
|
||
Position[1] = (2048 - 12 - 8.4 * (35 - 30));
|
||
sms_sts.SyncWritePosEx(ID, 2, Position, Speed, ACC);
|
||
|
||
jump_flag = 45;
|
||
}
|
||
|
||
// jump_flag归零
|
||
if (jump_flag > 350) // 2000=6s ,1s=2000/6=333.33
|
||
{
|
||
jump_flag = 0; // 跳跃过程结束
|
||
}
|
||
|
||
}
|
||
|
||
// yaw轴转向控制 （转向控制）
|
||
void yaw_loop()
|
||
{
|
||
// YAW_output = 0.03*(YAW_Kp*YAW_angle_total + YAW_Kd*YAW_gyro);
|
||
yaw_angle_addup();
|
||
|
||
YAW_angle_total += wrobot.joyx * 0.01; // 0.002
|
||
float yaw_angle_control = pid_yaw_angle(YAW_angle_total);
|
||
float yaw_gyro_control = pid_yaw_gyro(YAW_gyro);
|
||
// yaw 轴的角度和角速度数据进行了 PID 控制，得到 yaw_angle_control 和 yaw_gyro_control。
|
||
// 然后，将这两个控制量相加，得到最终的 YAW_output。
|
||
YAW_output = yaw_angle_control + yaw_gyro_control;
|
||
}
|
||
|
||
// Web数据更新
|
||
void web_loop()
|
||
{
|
||
webserver.handleClient();
|
||
websocket.loop();
|
||
rp.spinOnce(); // 更新web端回传的控制信息
|
||
}
|
||
|
||
// yaw轴角度累加函数
|
||
void yaw_angle_addup()
|
||
{
|
||
YAW_angle = (float)mpu6050.getAngleZ();// 左右偏航角度
|
||
YAW_gyro = (float)mpu6050.getGyroZ(); // 左右偏航角速度（转速），用于纠正小车前后走直线时的角度偏差
|
||
|
||
if (YAW_angle_zero_point == (-10))
|
||
{
|
||
YAW_angle_zero_point = YAW_angle;
|
||
}
|
||
|
||
float yaw_angle_1, yaw_angle_2, yaw_addup_angle;
|
||
if (YAW_angle > YAW_angle_last)
|
||
{
|
||
yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last;
|
||
yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last - 2 * PI;
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
yaw_angle_1 = YAW_angle - YAW_angle_last;
|
||
yaw_angle_2 = YAW_angle - YAW_angle_last + 2 * PI;
|
||
}
|
||
|
||
if (abs(yaw_angle_1) > abs(yaw_angle_2))
|
||
{
|
||
yaw_addup_angle = yaw_angle_2;
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
yaw_addup_angle = yaw_angle_1;
|
||
}
|
||
|
||
YAW_angle_total = YAW_angle_total + yaw_addup_angle;
|
||
YAW_angle_last = YAW_angle;
|
||
}
|
||
|
||
void basicWebCallback(void)
|
||
{
|
||
webserver.send(300, "text/html", basic_web);
|
||
}
|
||
|
||
void webSocketEventCallback(uint8_t num, WStype_t type, uint8_t *payload, size_t length)
|
||
{
|
||
if (type == WStype_TEXT)
|
||
{
|
||
String payload_str = String((char *)payload);
|
||
StaticJsonDocument<300> doc;
|
||
DeserializationError error = deserializeJson(doc, payload_str);
|
||
|
||
String mode_str = doc["mode"];
|
||
if (mode_str == "basic")
|
||
{
|
||
rp.parseBasic(doc);
|
||
}
|
||
}
|
||
}
|
||
|
||
// 电压检测初始化
|
||
void adc_calibration_init()
|
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{
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if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_TP) == ESP_OK)
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{
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printf("eFuse Two Point: Supported\n");
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||
}
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||
else
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{
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printf("eFuse Two Point: NOT supported\n");
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||
}
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// Check Vref is burned into eFuse
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if (esp_adc_cal_check_efuse(ESP_ADC_CAL_VAL_EFUSE_VREF) == ESP_OK)
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||
{
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||
printf("eFuse Vref: Supported\n");
|
||
}
|
||
else
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||
{
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||
printf("eFuse Vref: NOT supported\n");
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||
}
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||
}
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// 电压检测
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void bat_check()
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{
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if (bat_check_num > 1000)
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{
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// 电压读取
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uint32_t sum = 0;
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sum = analogRead(BAT_PIN);
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uint32_t voltage = esp_adc_cal_raw_to_voltage(sum, &adc_chars);
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double battery = (voltage * 3.97) / 1000.0;
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// Serial.println(battery);
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// 电量显示
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if (battery > 7.8)
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digitalWrite(LED_BAT, HIGH);
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else
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digitalWrite(LED_BAT, LOW);
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||
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bat_check_num = 0;
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}
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else
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bat_check_num++;
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}
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// LED闪烁函数(不要用for，会阻塞其他程序)
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void blinkLed() {
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digitalWrite(LED_BAT, HIGH);
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||
delay(200);
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||
digitalWrite(LED_BAT, LOW);
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||
delay(200);
|
||
digitalWrite(LED_BAT, HIGH);
|
||
delay(200);
|
||
digitalWrite(LED_BAT, LOW);
|
||
delay(200);
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||
}
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// 重置到默认参数状态，用于自平衡起立
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void resetToDefault() {
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angle_zeropoint = 5;
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original_angle_zeropoint = 5;
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LQR_speed = 0;
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LQR_distance = 0;
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speed_control = 0;
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distance_control = 0;
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// 需要将位移零点设置为当前位置
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distance_zeropoint = (-0.5) * (motor1.shaft_angle + motor2.shaft_angle);
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LQR_u = 0;
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||
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// YAW轴控制数据
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YAW_gyro = 0;
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||
YAW_angle = 0;
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||
YAW_angle_last = 0;
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YAW_angle_total = 0;
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||
YAW_angle_zero_point = -10;
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||
YAW_output = 0;
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// 逻辑处理标志位
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robot_speed = 0;
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robot_speed_last = 0;
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||
wrobot_move_stop_flag = 0;
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jump_flag = 0;
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leg_position_add = 0;
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||
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pid_lqr_u.error_prev = 0;
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}
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// 优化的舵机控制函数，避免舵机发热
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void safeSyncWritePosEx(byte* id, byte idCount, s16* position, u16* speed, byte* acc) {
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// 检查位置变化是否超过死区
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bool needUpdate = false;
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for(int i = 0; i < idCount; i++) {
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if(id[i] == 1 && abs(position[i] - lastPosition0) > SERVO_DEAD_ZONE) {
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needUpdate = true;
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break;
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}
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if(id[i] == 2 && abs(position[i] - lastPosition1) > SERVO_DEAD_ZONE) {
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||
needUpdate = true;
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||
break;
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||
}
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||
}
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// 如果需要更新，发送指令并记录新位置和时间
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if(needUpdate) {
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sms_sts.SyncWritePosEx(id, idCount, position, speed, acc);
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// 更新记录的位置
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for(int i = 0; i < idCount; i++) {
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||
if(id[i] == 1) lastPosition0 = position[i];
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if(id[i] == 2) lastPosition1 = position[i];
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||
}
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}
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||
}
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