RT-Thread 搭建的RoboMaster机器人电控框架入门详解（第一篇）

最编程 2024-07-22 18:37:55

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由于 RT-Thread 稳定高效的内核，丰富的文档教程，积极活跃的社区氛围，以及设备驱动框架、Kconfig、Scons、日志系统、海量的软件包……很难不选择 RT-Thread 进行项目开发。但也正是因为这些优点的覆盖面较广，很多初学者会觉得无从下手，但只要步入 RT-Thread 的大门，你就发现她的美好。这系列文档将作为本人基于 RT-Thread 开发 RoboMaster 电控框架的记录与分享，希望能帮助到更多初识 RT-Thread 的小伙伴，也欢迎大家交流分享，指正不足，共同进步。

背景

Robomaster 机器人比赛包含多个兵种，为了提高研发效率，模块化尤为重要，使用 RT-Thread 有助于面对对象思想开发；通过配备的 Kconfig，Scons 等工具可以实现工程的灵活配置；软件定时器可用作各电机等模块监控，RingBuffer 可以实现传感器信息的高效处理 …….

使用的开发板为大疆的 RoboMaster-C 型开发板，基础工程为 rt-thread>bsp>stm32f407-robomaster-c

电机模块开发

使用电机和电调均为大疆官方出品，如 2006，3508，6020 等，采用 CAN 通讯方式。

构建对象

首先我们根据使用的电机特性，构建一个通用的电机对象

 1/**
 2 * @brief DJI intelligent motor typedef
 3 */
 4typedef struct dji_motor_object
 5{
 6    rt_device_t  can_dev;                   // 电机CAN实例
 7    dji_motor_measure_t measure;            // 电机测量值
 8    uint32_t tx_id;                         // 发送id(主发)
 9    uint32_t rx_id;                         // 接收id(主收)
10    /* 分组发送设置 */
11    uint8_t send_group;                     // 同一帧报文分组
12    uint8_t message_num;                    // 一帧报文中位置
13    motor_type_e motor_type;                // 电机类型
14    motor_working_type_e stop_flag;         // 启停标志
15    /* 监控线程相关 */
16    rt_timer_t timer;                       // 电机监控定时器
17    /* 电机控制相关 */
18    void *controller;            // 电机控制器
19    int16_t (*control)(dji_motor_measure_t measure);   // 控制电机的接口 用户可以自定义,返回值为16位的电压或电流值
20} dji_motor_object_t;

因为这些电机我们均使用 CAN 方式进行驱动，是 CAN 设备的延申，于是将 rt_device_t can_dev 父类结构体对象内嵌。

dji_motor_measure_t 结构体中为，电机控制时需要用到的一些反馈值，包括电调直接反馈的数据以及进一步解算的得出的：

 1/**
 2 * @brief DJI motor feedback
 3 */
 4typedef struct
 5{
 6    /* 以下是处理得出的数据 */
 7    float angle_single_round; // 单圈角度
 8    float speed_aps;          // 角速度,单位为:度/秒
 9    float total_angle;        // 总角度,注意方向
10    int32_t total_round;      // 总圈数,注意方向
11    float  target;            // 目标值(输出轴扭矩矩/速度/角度(单位度))
12    /* 以下是电调直接回传的数据 */
13    uint16_t ecd;             // 0-8191
14    uint16_t last_ecd;        // 上一次读取的编码器值
15    int16_t  speed_rpm;       //电机的转速值
16    int16_t real_current;     // 实际转矩电流
17    uint8_t temperature;      // Celsius
18} dji_motor_measure_t;

注册实例

通过 dji_motor_object_t *dji_motor_register(motor_config_t *config, void *controller) 注册对应的电机实例，用户通过 motor_config_t *config 对实例进行灵活配置：

 1/**
 2 * @brief 电机初始化,返回一个电机实例
 3 * @param config 电机配置
 4 * @return dji_motor_object_t* 电机实例指针
 5 */
 6dji_motor_object_t *dji_motor_register(motor_config_t *config, void *controller)
 7{
 8    dji_motor_object_t *object = (dji_motor_object_t *)rt_malloc(sizeof(dji_motor_object_t));
 9    rt_memset(object, 0, sizeof(dji_motor_object_t));
10    // 对接用户配置的 motor_config
11    object->motor_type = config->motor_type;                         // 6020 or 2006 or 3508
12    object->rx_id = config->rx_id;                                   // 电机接收报文的ID
13    object->control = controller;                                    // 电机控制器
14    /* 查找 CAN 设备 */
15    object->can_dev = rt_device_find(config->can_name);
16    // 电机分组,因为至多4个电机可以共用一帧CAN控制报文
17    motor_send_grouping(object, config);
18    // 电机离线检测定时器相关
19    object->timer = rt_timer_create("motor1",
20                             motor_lost_callback,
21                             object, 20,
22                             RT_TIMER_FLAG_PERIODIC);
23    rt_timer_start(object->timer);
24    dji_motor_enable(object);
25    dji_motor_obj[idx++] = object;
26    return object;
27}
28/* 电机配置结构体 */
29typedef struct
30{
31    motor_type_e motor_type;
32    const char *can_name;
33    uint32_t tx_id;                // 发送id(主发)
34    uint32_t rx_id;                // 接收id(主收)
35    void *controller;        // 电机控制器
36} motor_config_t;

motor_config_t 结构体中的 void *controller 为电机所使用到的控制器集合，是一个控制器类型为其成员的结构体变量，如下：

1static struct chassis_controller_t{
2    pid_object_t *speed_pid;
3}chassis_controller;
4static struct gimbal_controller_t{
5    pid_object_t *speed_pid;
6    pid_object_t *angle_pid;
7}gimbal_controlelr;

调用 dji_motor_object_t *dji_motor_register 时传入的 void *controller 为电机对应的控制器具体实现，如进行 pid 计算，滤波等，会赋值给电机对象对应的函数指针，在进行电机控制计算时被执行，如下：

1rt_int16_t chassis_control(dji_motor_measure_t measure){
2    static rt_int16_t set = 0;
3    set = pid_calculate(chassis_controller.speed_pid, measure.speed_rpm, 1000);
4    return set;
5}

数据处理

电机对象离不开对数据稳定快速的收发和解析计算，接下来展开讨论使用 RT-Thread 的 CAN 设备驱动收发数据的思路。

首先是数据的接收，stm32f4 拥有 2 个 CAN 外设，所有电机和使用 CAN 总线的设备都挂载在这两条总线上，但 RT-Thread 的每个 CAN 总线只能通过 rt_device_set_rx_indicate(can_dev, can_rx_call); 注册一个对应的接收回调函数。但不同类型电机，不同 CAN 设备的数据解析处理都是不一样的，我这里的解决思路是：首先创建了一个 usr_callback 文件，用于统一管理 CAN、串口等设备可能用到的用户接收对调函数；将一个大的设备类型回调函数注册到对应 CAN 设备，其中再细分各挂载设备的数据解析，实现如下：

 1#ifdef BSP_USING_CAN
 2rt_err_t can_rx_call(rt_device_t dev, rt_size_t size)
 3{
 4    struct rt_can_msg rxmsg = {0};
 5    uint8_t *rxbuff = rxmsg.data;
 6    /* 从 CAN 读取一帧数据 */
 7    rt_device_read(dev, 0, &rxmsg, sizeof(rxmsg));
 8    /* CAN 接收到数据后产生中断，调用此回调函数，然后发送接收信号量 */
 9#ifdef BSP_USING_DJI_MOTOR
10    dji_motot_rx_callback(rxmsg.id, rxbuff);
11#endif /* BSP_USING_DJI_MOTOR */
12    return RT_EOK;
13}
14#endif /* BSP_USING_CAN */

但是这其中也有一点问题，rt_err_t can_rx_call(rt_device_t dev, rt_size_t size) 传入的参数无法判断具体的 CAN 设备来源，因此所有使用到的 CAN 外设数据处理函数都会被调用，但目前问题不大，因为同一条总线上不会挂载相同 ID 的设备，这也是一开始就应该避免的错误。

接下来是 CAN 报文的发送，调用 rt_device_write 发送填充好的 CAN 报文帧即可。

离线检测

这里使用 RT-Thread 的软件定时器对电机进行离线检测，当超过定时间没有接收到对应电机反馈报文，则进入超时回调，并输出警告日志：

 1/**
 2 * @brief 电机定时器超时回调函数
 3 * @param motor_ptr
 4 */
 5 static void motor_lost_callback(void *motor_ptr)
 6 {
 7     dji_motor_object_t *motor = (dji_motor_object_t *)motor_ptr;
 8//     dji_motor_stop(motor);
 9     LOG_W("[dji_motor] Motor lost, can bus [%s] , id 0x[%x]", motor->can_dev->parent.name, motor->rx_id);
10 }

使用实例

封装完成的电机模块使用示例如下：

 1static struct chassis_controller_t{
 2    pid_object_t *speed_pid;
 3}chassis_controller;
 4static struct gimbal_controller_t{
 5    pid_object_t *speed_pid;
 6    pid_object_t *angle_pid;
 7}gimbal_controlelr;
 8static dji_motor_object_t *chassis_motor;
 9static dji_motor_object_t *gimbal_motor;
10rt_int16_t chassis_control(dji_motor_measure_t measure){
11    static rt_int16_t set = 0;
12    set = pid_calculate(chassis_controller.speed_pid, measure.speed_rpm, 
						
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