【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
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本帖最后由 HonestQiao 于 2022-11-2 16:20 编辑
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2.2 硬件物料：
在本作品中，使用到硬件如下：
- 开发板： ESP32-E
- 扩展板： ESP32-E专用扩展板
- OLED显示屏：SSD1306 128x64显示屏，带支架
- 运动传感器：DFRobot MPU6050，已经安装到手柄内部
- 舵机控制：PCA9685 16路舵机控制器
- 舵机：3120 20KG舵机2个
- 云台支架：1套
- 电源：正点原子数控电源
2.3 硬件连接规划：
实物连接说明：
- 将扩展板平插到ESP32开发板上
- 将 PCA9685 连接到扩展板的I2C接口1
- 将OLED连接到扩展板的I2C接口2
- 将 MPU6050 连接到扩展板的I2C接口3
- 将舵机连接到PCA9685的14、15舵机接口
- 使用数控电源给PCA9685供电
2.4 软件逻辑设计：
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- 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。
- 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。
- 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。
在上述模块中：
- 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
- 所使用的运动传感器DFRobot MPU6050，同样为I2C接口
- 所使用的SSD1306 128x64 OLED显示屏，也为I2C接口
- 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
另外：
- 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。
- 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。
3.2 使用说明：
3.2.1 系统的使用步骤如下：
- 系统启动：
- 确保各部分连接正确后，上电启动，初始化各部件
- 启动过程中，显示屏将显示当前启动进度
- 启动完成后，屏幕将显示操作界面
- 启动后，默认情况下，处于机器人停止状态
- 按键操作：
- ESP32开发板左则的RST按键，用于系统重启
- ESP32开发板右则的Pin27按键，用于启停机器人舵机控制
- 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
- 手柄操作：
- 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；
- 应根据自己所使用的MPU6050芯片，确定正确的芯片放置方向
- 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
- 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
- 显示屏状态：
- 启动过程中，依次显示各部分初始化情况
- 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
- Pin27按键依次以后，将会显示纵轴和横轴舵机控制角度
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：
- 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
- 内容区域：显示平台名称
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：
- 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
- 内容区域：显示纵轴和横轴舵机对应的角度值
四、作品源码
源码地址：https://download.eeworld.com.cn/detail/HonestQiao/625355
码云地址：
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。
五、作品功能演示视频
视频介绍专辑地址：https://training.eeworld.com.cn/course/67867
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：https://training.eeworld.com.cn/video/34839
使用展示视频地址：https://training.eeworld.com.cn/video/34840
六、项目总结
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：
Timezone：时区处理，
MPU6050_tockn：MPU6050驱动库，
Adafruit_PWMServoDriver：舵机驱动库，
Adafruit_SSD1306：OLED驱动库，
Adafruit-GFX：显示图形处理，
U8g2_for_Adafruit_GFX：支持Adafruit_GFX的U8g2库，用于Unicode字符串显示，
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：
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提升卡
变色卡
千斤顶
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京公网安备 11010802033920号
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