【2022得捷创新设计大赛】二自由度云台机器人控制平台

HonestQiao 发表于 2022-10-30 23:59

本帖最后由 HonestQiao 于 2022-11-1 23:41 编辑

目录：

<ul>
<li>一、作品简介</li>
<li>二、系统设计</li>
<li>三、硬件物料</li>
<li>四、硬件设计</li>
<li>五、实物连接</li>
<li>六、软件设计</li>
<li>七、程序代码</li>
<li>八、使用说明</li>
<li>九、实际效果</li>
<li>十、问题与改进</li>
<li>十一、参考资料</li>
</ul>

 

 

一、作品简介

本作品，实现了一个二自由度云台机器人控制平台，系统使用运动传感器做为控制手柄，来控制机器人的运动，并配合OLED屏，显示系统的当前状态。

 

二、系统设计

  

在本系统中，二自由度云台机器人，使用两个舵机，实现两个维度的自由运动。

系统使用一个MPU6050六轴运动传感器 ，通过实时获取其六轴运动数据，解码识别实际的运动，然后通过PCA9685控制两个舵机，从而实现通过控制手柄，来控制机器人的实际动作。

在机器人支架的平台上，还搭配有一个OLED显示屏，用于显示系统的当前状态，以及通过互联网对时的时钟。

 

三、硬件物料

    

在本作品中，使用到硬件如下：

<ul>
<li>开发板：DFRobot FireBeetle ESP32-E</li>
<li>扩展板：DFRobot FireBeetle ESP32-E专用扩展板</li>
<li>OLED显示屏：SSD1306 128x64显示屏，带支架</li>
<li>运动传感器：DFRobot MPU6050，已经安装到手柄内部</li>
<li>舵机控制：PCA9685 16路舵机控制器</li>
<li>舵机：3120 20KG舵机2个</li>
<li>云台支架：1套</li>
<li>电源：正点原子数控电源</li>
</ul>

 

四、硬件设计

本系统的硬件结构，分为四个部分，分别为：

<ol>
<li>主控中心：主控中心使用DFRobot FireBeetle ESP32-E进行逻辑控制，并搭配专用扩展板方便其他设备的接入</li>
<li>运动控制模块：使用DFRobot MPU6050，主控程序通过获取其数据，经过解码，生成纵轴和横轴控制数据，然后控制机器人运行。</li>
<li>动作执行模块：使用1个PCA9685舵机控制器和2个3120 20KG舵机，来进行机器人纵轴和横轴的动作控制。</li>
<li>显示模块：使用SSD1306 128x64的OLED显示屏，用于显示系统的当前状态，包括系统启动过程中的信息，启动后纵轴和横轴的状态，以及通过互联网对时的时钟。</li>
</ol>

在上述模块中：

<ul>
<li>舵机控制器PCA9685为I2C接口，供提供了16组舵机接口，编号为0-15，这里使用最后的两个接口，接入两个舵机分别用于机器人纵轴和横轴的控制</li>
<li>所使用的运动传感器DFRobot MPU6050，同样为I2C接口</li>
<li>所使用的SSD1306 128x64 OLED显示屏，也为I2C接口</li>
<li>专用扩展板上刚好提供了3组I2C接口，正好用于接入上述3个I2C设备的接入</li>
</ul>

另外:

<ul>
<li>为了确保舵机能够稳定运行，使用了一个正点原子数控电源专门为舵机控制器PCA9685提供5V电源输入。</li>
<li>为了方便使用MPU6050进行稳定的控制，使用了一个掏空内部的儿童牙刷来内置MPU6050，方便手持操作。</li>
</ul>

硬件设计规划如下连线：

  

在ESP32开发板上，上图对应的USB接口右则，有一个按键，Pin为27，系统使用该按键，来启停舵机的控制。

 

五、实物连接

1. 舵机归零矫正：



连接说明：

<ol>
<li>将 PCA9685 连接到扩展板的I2C接口</li>
<li>将舵机1连接到 PCA9685 的 14 舵机控制接口</li>
<li>将舵机2连接到 PCA9685 的 15 舵机控制接口</li>
</ol>

在将舵机安装到支架上之前，需要先进行舵机归零矫正，确保安装时各零部件能够对准角度。

 
 2. 实际运行连接：

 

   
      
 

连接说明：

<ol>
<li>将扩展板平插到ESP32开发板上</li>
<li>将 PCA9685 连接到扩展板的I2C接口1</li>
<li>将OLED连接到扩展板的I2C接口2</li>
<li>将 MPU6050 连接到扩展板的I2C接口3</li>
<li>将舵机连接到PCA9685的14、15舵机接口</li>
<li>使用数控电源给PCA9685供电</li>
</ol>

 

六、软件设计

本控制平台的软件逻辑设计图如下：



 

 

在系统的开发过程中，经过反复斟酌和测试，最终选用Arduino IDE进行开发。

在开发的过程中，使用到了如下的Arduino库：

<ul>
<li>DFRobot ESP32 Boards：DFRobot提供的开发板支持库</li>
<li>WiFi：内置</li>
<li>
Time：时间处理，<a href="https://github.com/PaulStoffregen/Time">PaulStoffregen/Time: Time library for Arduino (github.com)</a>
</li>
<li>
Timezone：时区处理，<a href="https://github.com/JChristensen/Timezone">JChristensen/Timezone: Arduino library to facilitate time zone conversions and automatic daylight saving (summer) time adjustments. (github.com)</a>
</li>
<li>
MPU6050_tockn：MPU6050驱动库，<a href="https://github.com/tockn/MPU6050_tockn">tockn/MPU6050_tockn: Arduino library for easy communication with MPU6050 (github.com)</a>
</li>
<li>
Adafruit_PWMServoDriver：舵机驱动库，<a href="https://github.com/adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library">adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library: Adafruit PWM Servo Driver Library (github.com)</a>
</li>
<li>
Adafruit_SSD1306：OLED驱动库，<a href="https://github.com/adafruit/Adafruit_SSD1306">adafruit/Adafruit_SSD1306: Arduino library for SSD1306 monochrome 128x64 and 128x32 OLEDs (github.com)</a>
</li>
<li>
Adafruit-GFX：显示图形处理， <a href="https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library">adafruit/Adafruit-GFX-Library: Adafruit GFX graphics core Arduino library, this is the 'core' class that all our other graphics libraries derive from (github.com)</a>
</li>
<li>
U8g2_for_Adafruit_GFX：支持Adafruit_GFX的U8g2库，用于Unicode字符串显示，<a href="https://github.com/olikraus/U8g2_for_Adafruit_GFX">olikraus/U8g2_for_Adafruit_GFX: Add U8g2 fonts to any Adafruit GFX based graphics library. (github.com)</a>
</li>
</ul>

 

七、程序代码

控制平台的系统代码如下：

1. 码云代码库：<a href="https://gitee.com/honestqiao/2d_robot" target="_blank">https://gitee.com/honestqiao/2d_robot</a>

2. 代码截图：



 

在代码中，有几个关键点，需要详细说明：

首先是显示的图标和字体：



    

在OLED显示屏操作界面中，使用到了4个图标，分别为电源、启/停、WiFi，使用了U8g2中的特殊字体来显示的。

其中，电源和WiFi图标，为u8g2_font_siji_t_6x10字体的0x0e200、0x0e21a，启动图标为 0x0e058，停止图标为0x0e059

在启动控制后，控制界面中，纵轴圆圈指向图标，为u8g2_font_unifont_t_86字体的0x02b6f，横轴上下箭头图标为0x02b65

其他显示使用的字体，均为u8g2_font_unifont_t_chinese2

 

然后，在获取到MPU6050数据解码后，对纵轴的数据，应用了卡尔曼滤波进行优化处理，得到更为准确的数据。

该卡尔曼滤波的Kalman_Filter函数，来自于网上公开的代码，向提供该函数的作者表示感谢。

 

最后，互联网时间同步部分，使用了第三方的Time时间库，用于与公开的ntp服务器进行对时。该部分的代码，可以提取出来，做成互联网时钟。

 

 

八、使用说明

系统的使用步骤如下：

<ol>
<li>系统启动：
<ul>
<li>确保各部分连接正确后，上电启动，初始化各部件</li>
<li>启动过程中，显示屏将显示当前启动进度</li>
<li>启动完成后，屏幕将显示操作界面</li>
<li>启动后，默认情况下，处于机器人停止状态</li>
</ul>
</li>
<li>按键操作：
<ul>
<li>ESP32开发板左则的RST按键，用于系统重启</li>
<li>ESP32开发板右则的Pin27按键，用于启停机器人舵机控制</li>
<li>Pin27按键奇数次按键，启动机器人舵机控制，偶数次按键，停止机器人舵机控制</li>
</ul>
</li>
<li>手柄操作：
<ul>
<li>系统启动过程中，应手持手柄保持垂直竖立状态，以便系统正确计算初始化状态；</li>
<li>应根据自己所使用的MPU6050芯片，确定正确的芯片放置方向</li>
<li>启动完成后，向前压手柄，或者向后压手柄，控制机器人横向舵机运动</li>
<li>启动完成后，以手柄竖向中心线为中心旋转，控制机器人纵向舵机运动</li>
</ul>
</li>
<li>显示屏状态：
<ul>
<li>启动过程中，依次显示各部分初始化情况</li>
<li>启动后，界面显示各状态图标，包括当前控制状态，以及当前的时钟</li>
<li>Pin27按键依次以后，将会显示纵轴和横轴舵机控制角度</li>
</ul>
</li>
</ol>

 

九、实际效果

按下ESP32开发板的RST按键后，手持手柄，保持竖立状态，等待系统初始化启动完成。

启动完成以后，按一下ESP32开发板右则的按键，使能手柄控制机器人，然后就可以进行操作控制了。

   
 运行过程中，OLED显示屏显示如下：



在上图中，各区域信息如下：

<ul>
<li>状态栏：分别为电源接入图标、运行状态图标(启动时默认暂停)、互联网对时时钟、WiFi图标</li>
<li>内容区域：显示平台名称</li>
</ul>

 当按下ESP32开发板右则按键后，进行控制操作时，OLED显示屏显示如下：



在上图中，各区域的信息如下：

<ul>
<li>状态栏：分别为电源接入图标、运行状态图标(当前为使用运行)、互联网对时时钟、WiFi图标</li>
<li>内容区域：显示纵轴和横轴舵机对应的角度值</li>
</ul>

 

十、问题与改进

在实际开发，经过反复的测试，目前还有如下问题需要解决或者优化：

<ol>
<li>OLED显示屏操作界面的显示，目前使用了全屏刷新，可优化为仅刷新发生变化的部分；</li>
<li>MPU6050长时间使用后，会发生一定的漂移，正在详细了解相关的资料，以便进行优化。</li>
</ol>

 

十一、参考资料

在本作品设计开发的过程中，查阅学习了上百篇文档资料，对于提供这些资料的作者表示万分的感谢。

这些文档资料，包括但不限于如下链接：

<ul>
<li><a href="https://wiki.dfrobot.com.cn/_SKU_DFR0654_FireBeetle_Board_ESP32_E">DFR0654_FireBeetle_Board_ESP32_E (dfrobot.com.cn)</a></li>
<li><a href="https://github.com/olikraus/u8g2">olikraus/u8g2: U8glib library for monochrome displays, version 2 (github.com)</a></li>
<li><a href="https://learn.adafruit.com/16-channel-pwm-servo-driver/hooking-it-up">Hooking it Up | Adafruit PCA9685 16-Channel Servo Driver | Adafruit Learning System</a></li>
<li><a href="https://www.aranacorp.com/en/using-a-pca9685-module-with-arduino/">Using a PCA9685 module with Arduino • AranaCorp</a></li>
<li><a href="https://www.7gp.cn/archives/326">16路PWM舵机驱动板（PCA9685）的使用说明（更新中） | 奇果派工坊 (7gp.cn)</a></li>
<li><a href="https://techexplorations.com/blog/esp32/firebeetle-esp32e-arduinoiotcloud/">Firebeetle ESP32-E with Arduino IoT Cloud，评论 - 技术探索 (techexplorations.com)</a></li>
<li><a href="https://community.dfrobot.com/makelog-310356.html">Make a Home-made Network Clock with ESP32-E (dfrobot.com)</a></li>
<li><a href="https://randomnerdtutorials.com/esp32-ntp-client-date-time-arduino-ide/">Getting Date and Time with ESP32 (NTP Client) | Random Nerd Tutorials</a></li>
<li><a href="https://www.instructables.com/ESP32-and-OLED-Display-Internet-Clock-DHT22/">ESP32 and OLED Display: Internet Clock - DHT22 : 10 Steps (with Pictures) - Instructables</a></li>
<li><a href="https://www.dfrobot.com/product-2231.html">FireBeetle 2 ESP32-E IoT Microcontroller with Header - DFR0654-F | DFRobot Electronics</a></li>
<li><a href="https://cloud.tencent.com/developer/article/1891228">ESP32使用u8g2显示库（SSD1306驱动） - 腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)</a></li>
<li><a href="https://blog.jmaker.com.tw/u8g2-oled/"> 一套u8g2函式庫，玩遍所有OLED (jmaker.com.tw)</a></li>
<li><a href="https://blog.darkthread.net/blog/u8g2-cht-font-tool/">Coding4Fun - Arduino/ESP u8g2 中文字庫自動化工具-黑暗執行緒 (darkthread.net)</a></li>
<li><a href="https://github.com/olikraus/U8g2_for_Adafruit_GFX">olikraus/U8g2_for_Adafruit_GFX: Add U8g2 fonts to any Adafruit GFX based graphics library. (github.com)</a></li>
<li><a href="https://learn.adafruit.com/monochrome-oled-breakouts/arduino-library-and-examples">Arduino Library & Examples | Monochrome OLED Breakouts | Adafruit Learning System</a></li>
<li><a href="https://juejin.cn/post/7097851044767465486">如何自制自平衡云台基于mpu6050，arduino输出三维倾斜角度的方法（含源码,库） - 掘金 (juejin.cn)</a></li>
<li><a href="https://atceiling.blogspot.com/2019/10/arduino74pca9685servo.html">Arduino筆記(74)：PCA9685控制Servo伺服馬達 | 天花板隨記 (atceiling.blogspot.com)</a></li>
<li><a href="https://github.com/tockn/MPU6050_tockn">tockn/MPU6050_tockn: Arduino library for easy communication with MPU6050 (github.com)</a></li>
<li><a href="https://blog.51cto.com/u_15127578/3585308">mpu6050控制舵机云台_51CTO博客_mpu6050</a></li>
<li><a href="https://wiki.dfrobot.com/6_DOF_Sensor-MPU6050__SKU_SEN0142_">6_DOF_Sensor-MPU6050__SKU_SEN0142_-DFRobot</a></li>
<li><a href="https://github.com/adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library">adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library: Adafruit PWM Servo Driver Library (github.com)</a></li>
<li><a href="https://www.dfrobot.com/product-1576.html">Gravity I2C OLED-128x64 Display - DFRobot</a></li>
<li><a href="https://www.aranacorp.com/en/using-an-oled-display-with-arduino/">Using an OLED Display with Arduino • AranaCorp</a></li>
</ul>

火辣西米秀 发表于 2022-10-31 08:27

将舵机连接到PCA9685的14、15舵机接口，这个舵机接口是个什么协议接口呢

HonestQiao 发表于 2022-11-1 00:22

火辣西米秀发表于 2022-10-31 08:27
将舵机连接到PCA9685的14、15舵机接口，这个舵机接口是个什么协议接口呢

舵机是PWM脉宽控制的。
舵机控制器，是I2C接口的。

通途科技 发表于 2024-10-30 20:07

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