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ESP32 主控板

简体中文 | English

这是本机器人项目最重要的一个子模块，它的职责是：

  • 读取板载陀螺仪数据
  • 运行所有运动控制算法，包括平衡算法、腿长控制、roll/yaw控制等
  • 通过CAN通信获取电机状态并发送扭矩指令
  • 通过低功耗蓝牙接收上位机的遥控指令

硬件说明

电路设计

本模块硬件方案的特性：

  • 芯片方案
    • 主控芯片：ESP32-C3
    • 陀螺仪：MPU6050
    • CAN驱动芯片：TJA1050T
  • 供电电压：12V，降压方案：LDO
  • 调试接口：USB Type-C，直连芯片引脚，可用于烧录程序、JTAG调试和串口通信

文件说明

硬件相关文件都在hardware目录下：

  • ESP32CTRL_LCEDA_SCH.json：立创EDA原理图文件
  • ESP32CTRL_LCEDA_PCB.json：立创EDA PCB文件
  • ESP32CTRL_AD_SCH.schdoc：立创EDA导出的 Altium Designer 原理图文件
  • ESP32CTRL_AD_PCB.pcbdoc：立创EDA导出的 Altium Designer PCB文件
  • ESP32CTRL_SVG.svg：原理图矢量图文件

注：将立创原理图和PCB两个json文件导入到立创EDA标准版中即可查看和编辑，不建议使用AD

软件说明

程序使用PlatformIO平台进行开发，使用ESP-IDF并将Arduino框架作为组件引入，因此可同时使用Arduino第三方库和ESP-IDF的底层API(如CAN通信)

为方便程序编写和调试，本程序使用ESP-IDF自带的FreeRTOS进行多任务调度，每个模块会触发一个或多个任务进行处理

文件说明

PlatformIO 工程位于software目录下，代码文件位于其中src目录下：

  • main.cpp：主要程序文件，包含所有任务模块的逻辑代码
  • PID.c/h：PID控制器的实现，包含单级和串级PID控制器
  • debug.c/h：用于Linkscope软件实现蓝牙无线调试，不参与正常运行，读者可忽略
  • 由MATLAB直接生成的C代码文件，没有可读性，读者可参阅本项目MATLAB程序说明：
    • leg_pos.c/h：腿部位置解算函数
    • leg_spd.c/h：腿部运动速度解算函数
    • leg_conv.c/h：腿部输出换算函数
    • lqr_k.c/h：LQR反馈矩阵计算函数

电机、陀螺仪、CAN通信、蓝牙、运动控制等模块的代码全部位于main.cpp中（其实是偷懒没分开），不同模块的函数名基本都以模块名开头，读者可以按此规律参照注释查看

使用说明

烧录程序

使用USB线连接到电脑，按下两个按键后先松开RESET再松开BOOT，芯片即会进入烧录模式，此时可使用PlatformIO进行烧录

调试程序

程序中使用Arduinod的Serial类即可从USB输出串口信息，可以使用电脑上的串口调试软件进行查看

此外，ESP32C3的USB还支持JTAG调试，连接到电脑后即可使用OpenOCD等程序连接，笔者在调试过程中搭配Linkscope实现在线读写变量和曲线绘制，较为方便

参数标定

在main.c中有几个参数可能需要根据实际系统进行调整，否则将无法进行正确的解算和控制

零点偏移、旋转方向参数

Motor_InitAll函数中分别调用Motor_Init进行每个电机的参数设定，包括了零点偏移offsetAngle和旋转方向dir

这两个参数用于在Motor_Update函数中将编码器反馈的原始角度转换为算法中的标准角度 $\phi_i$ （电机angle成员变量），转换公式为：

$$ \phi_i = (rawAngle_i - offsetAngle_i) * dir_i $$

这两个参数的测量方法如下：

  1. 设置dir参数（取值1/-1）使得电机angle成员变量在电机向 $\phi_i$ 正方向旋转时增加

  2. 程序中设置offsetAngle=0（记为 $offsetAngle_i^z$ ），将电机旋转到某个角度，记录当前的计算角度为 $\phi_i^c$ ，测量当前的实际角度为 $\phi_i^r$

  3. 将 $\phi_i^c$ 、 $offsetAngle_i^z$ 、 $dir_i$ 代入上方公式，求得 $rawAngle_i$ 的值

  4. 将 $\phi_i^r$ 、 $rawAngle_i$ 、 $dir_i$ 代入上方公式，求得 $offsetAngle_i$ 的值，设置到程序中

  5. 此时angle成员变量应该与实际 $\phi_i$ 一致

注1： $\phi_i$ 的定义可以在Matlab程序说明文档中引用的文章中找到，靠前的关节电机对应 $\phi_4$ ，靠后的关节电机对应 $\phi_1$

注2：上方描述的均为关节电机，车轮电机仅需设置dir参数，使其angle变量正方向与算法中驱动轮力矩 $T$ 一致即可

扭矩系数

注：若使用笔者相同电机，可以不修改该参数

与上述两个参数相同，该参数也在Motor_InitAll函数中进行设置，用于进行电压和扭矩的换算，公式为：

$$ voltage_i = \frac{torque_i}{torqueRatio_i} $$

其中torqueRatio为扭矩系数，其测量方法如下：

  1. 给电机不同的电压，测量其扭矩（笔者测的是堵转扭矩），记录为 $(v_i, \tau_i)$
  2. 将 $(v_i, \tau_i)$ 拟合为线性函数 $\tau=k*v$ ， $k$ 即为torqueRatio的值，可以用Matlab、Excel等软件辅助计算

反电动势函数

注：若使用笔者相同电机，可以不修改该参数

关节电机反电动势计算函数为Motor_CalcRevVolt4010，车轮电机为Motor_CalcRevVolt2804，用于根据电机的实时转速计算反电动势，输出电压指令时会根据计算结果进行补偿，以抵消反电动势

测量反电动势时，给电机不同的电压，测量其空载转速，记录为 $(v_i, \omega_i)$ ，拟合为三次幂函数 $v = f(\omega)$ ，即为反电动势函数

若反电动势标定正确，在设置电机扭矩为0时（torque成员为0）手动旋转电机，应该感受到阻力几乎为0（抵消反电动势时顺便抵消了大部分机械阻力）

注：注释掉setup()中的Ctrl_Init();，或注释所有Motor_SetTorque函数的调用，即可禁用控制系统的输出，此时可以自行插入代码调试电机

改进方向

  • MPU6050的DMP频率只有200Hz，可以考虑更换其他芯片并编写姿态解算程序
  • 硬件使用LDO进行降压，由于ESP32C3功耗较高，LDO发热量较大，可以修改为DC-DC降压
  • 关键算法使用MATLAB符号化简结果直接导出，运算量非常大，几乎吃满了芯片性能，无法进一步提升控制频率，可以尝试手动化简后转为C代码