【2022得捷创新设计大赛】二自由度云台机器人控制平台修订版

HonestQiao 发表于 2022-11-2 13:19

本帖最后由 HonestQiao 于 2022-11-2 16:20 编辑

 

<a name="_Toc118281877">二自由度云台机器人控制平台修订版</a>

作者：乔楚

 

二自由度云台机器人控制平台................................................................................................. 1

一、作品简介（100-200字）.................................................................................................. 2

二、系统框图（图文结合）...................................................................................................... 3

三、各部分功能说明（图文结合）......................................................................................... 8

四、作品源码.............................................................................................................................18

五、作品功能演示视频............................................................................................................ 20

六、项目总结............................................................................................................................ 20

七、其他.................................................................................................................................... 21

 

 

<a name="_Toc118281878">一、作品简介</a>

      本作品，名称为“二自由度云台机器人控制平台”，实现了一个完整的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。

     使用控制手柄，可以通过前后向动作，来控制纵轴舵机运动，通过旋转操作，控制横轴舵机运动，从而实现机器人二自由度控制。

     作品照片：

  

 

<a name="_Toc118281879">二、系统框图</a>

2.1 系统整体设计：

     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。

     系统整体设计图：

  

 

2.2 硬件物料：

  

     在本作品中，使用到硬件如下：

<ul>
<li>开发板： ESP32-E</li>
<li>扩展板： 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>

 
2.3 硬件连接规划： 
 

 

     实物连接说明：

<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>

 

 
2.4 软件逻辑设计：

  

 

<a name="_Toc118281880">三、各部分功能说明</a>

 
3.1 系统组成：

     本系统的组成部分，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>
</ol>

  

<ol start="2">
<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>
</ol>

  

 

<ol start="3">
<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>
</ol>

    

 

<ol start="4">
<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>

 

3.2 使用说明：

3.2.1 系统的使用步骤如下：

<ol>
<li>系统启动：
<ul style="list-style-type:disc">
<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 style="list-style-type:disc">
<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 style="list-style-type:disc">
<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 style="list-style-type:disc">
<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>

 

 

3.2.2 具体操作：

     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 value="50">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 value="50">内容区域：显示纵轴和横轴舵机对应的角度值</li>
</ul>

 

<a name="_Toc118281881">四、作品源码</a>

     源码地址：<a href="https://download.eeworld.com.cn/detail/HonestQiao/625355" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://download.eeworld.com.cn/detail/HonestQiao/625355</a>

     码云地址：<a href="https://gitee.com/honestqiao/2d_robot" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://gitee.com/honestqiao/2d_robot</a>

 

     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。

 

 

<a name="_Toc118281882">五、作品功能演示视频</a>

     视频介绍专辑地址：<a href="https://training.eeworld.com.cn/course/67867" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://training.eeworld.com.cn/course/67867</a>

     介绍视频一共分为两个部分，分别为平台结构的介绍、详细使用的展示。

     结构介绍视频地址：<a href="https://training.eeworld.com.cn/video/34839" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://training.eeworld.com.cn/video/34839</a>

     使用展示视频地址：<a href="https://training.eeworld.com.cn/video/34840" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://training.eeworld.com.cn/video/34840</a>

 

<a name="_Toc118281883">六、项目总结</a>

     在该二自由度云台机器人控制平台设计制作开发的过程中，进行了多项研究尝试，最终选择了Arduino IDE进行开发。

     在开发过程中，详细了解到了ESP32、MPU6050、PCA9685舵机控制器、DS 3120 20KG舵机、SSD 1306 OLED等的具体使用。Arduino平台强大的包容和扩展性，使得开发过程中可以方便的应用第三方开发库，大大加快了开发的速度。

     非常感谢EEWrold和得捷提供这次机会，得以把以前一直想做但没有做的事情，给好好的完成。今后也希望有更多的机会，进行交流学习和研究。

 

     帖子分享汇总：

<ul>
<li>开箱帖</li>
<li><a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1206642-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1206642-1-1.html</a></li>
<li> </li>
<li>【2022得捷创新设计大赛】二自由度云台机器人控制平台</li>
<li><a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223083-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223083-1-1.html</a></li>
<li> </li>
<li>【2022得捷创新设计大赛】二自由度云台机器人控制平台修订版</li>
<li><a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223437-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223437-1-1.html</a></li>
<li> </li>
<li>介绍和展示视频</li>
<li><a href="https://training.eeworld.com.cn/course/67867" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://training.eeworld.com.cn/course/67867</a><a name="_Hlt118280667"></a></li>
<li> </li>
<li>U8g2中的字体应用</li>
<li><a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223466-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223466-1-1.html</a></li>
<li> </li>
<li>ESP32上基于NTP服务的互联网时钟</li>
<li><a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223502-1-1.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1223502-1-1.html</a></li>
</ul>

 

<a name="_Toc118281884">七、其他</a>

7.1 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>

 

7.2 第三方库

     在开发的过程中，使用到了如下的Arduino库，对作者和提供方表示深深的感谢：

<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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">PaulStoffregen/Time: Time library for Arduino (github.com)</a></li>
<li>Timezone：时区处理，<a href="https://github.com/JChristensen/Timezone" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">olikraus/U8g2_for_Adafruit_GFX: Add U8g2 fonts to any Adafruit GFX based graphics library. (github.com)</a></li>
</ul>

 
 

7.3 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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">DFR0654_FireBeetle_Board_ESP32_E (dfrobot.com.cn)</a></li>
<li><a href="https://github.com/olikraus/u8g2" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Using a PCA9685 module with Arduino • AranaCorp</a></li>
<li><a href="https://www.7gp.cn/archives/326" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">ESP32 and OLED Display: Internet Clock - DHT22 : 10 Steps (with Pictures) - Instructables</a></li>
<li><a href="https://www.dfrobot.com/product-2231.html" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">FireBeetle 2 ESP32-E IoT Microcontroller with Header - DFR0654-F | DFRobot Electronics</a></li>
<li><a href="https://cloud.tencent.com/developer/article/1891228" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline"> 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/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Arduino Library & Examples | Monochrome OLED Breakouts | Adafruit Learning System</a></li>
<li><a href="https://juejin.cn/post/7097851044767465486" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">tockn/MPU6050_tockn: Arduino library for easy communication with MPU6050 (github.com)</a></li>
<li><a href="https://blog.51cto.com/u_15127578/3585308" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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_" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">6_DOF_Sensor-MPU6050__SKU_SEN0142_-DFRobot</a></li>
<li><a href="https://github.com/adafruit/Adafruit-PWM-Servo-Driver-Library" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">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" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Gravity I2C OLED-128x64 Display - DFRobot</a></li>
<li><a href="https://www.aranacorp.com/en/using-an-oled-display-with-arduino/" style="color:#0563c1; text-decoration:underline">Using an OLED Display with Arduino • AranaCorp</a></li>
</ul>

UUC 发表于 2022-11-3 10:40

可以说是很用心了，标记一下，有空学习起来

通途科技 发表于 2024-10-30 20:06

页: [1]

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