前言

在RoboMaster比赛中，舵轮底盘具有很强的机动性。舵轮机器人的底盘上一共有八个电机，其中包括四个行进轮电机和四个转向轮电机（舵机）。目前我们机械组采用GM6020电机作为舵机，行进轮是M3508、当然其实用什么电机做舵机对我们嵌入式来说并没有太大的关系。，我们只需要在代码上稍加改动即可。

一、舵轮姿态解算

舵轮底盘的姿态解算如下：

首先，任何机器人的运动都可以分解成三个方向：Vx（前后）、Vy（左右）、Vw（旋转）。

其中，Vw1=Vw2=Vw3=Vw4=w(旋转角速度) xR（圆周半径），V1、V2、V3、V4为行进轮的速度，θ1、θ2、θ3、θ4为舵轮的转向角。知道了这八个参数，就可以确定车体的运动。

二、代码分享

1.Chassis_steer_app.c

代码如下:

#include "Chassis_steer_app.h"
#include "string.h"ChassisHandle_t ChassisHandle;void Chassis_steerAppConfig(void)
{ChassisHandle.console=Console_Pointer();ChassisHandle.imu=IMU_GetDataPointer();ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_RELAX;ChassisHandle.structure.wheel_perimeter = WHEEL_PERIMETER;       //轮子硬性参数ChassisHandle.structure.wheeltrack = WHEELTRACK;ChassisHandle.structure.wheelbase = WHEELBASE;ChassisHandle.structure.Radius = RADIUS;ChassisHandle.chassis_steer_motor[0].offset_ecd.chassis_offset_ecd =1726;ChassisHandle.chassis_steer_motor[1].offset_ecd.chassis_offset_ecd =20;ChassisHandle.chassis_steer_motor[2].offset_ecd.chassis_offset_ecd =7789;ChassisHandle.chassis_steer_motor[3].offset_ecd.chassis_offset_ecd =3370;ChassisHandle.steer_set[0].speed_direction=-1;                         ChassisHandle.steer_set[1].speed_direction=-1;ChassisHandle.steer_set[2].speed_direction=1;ChassisHandle.steer_set[3].speed_direction=1;for (uint8_t i=0; i<4; i++)      //底盘8电机PID控制{ ChassisHandle.chassis_motor[i].motor_info = ChassisMotor_Pointer(i);ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].motor_info=Chassis_steer_Motor_Pointer(i);ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].ecd_ratio=STEER_MOTO_POSITIVE_DIR * STEER_REDUCTION_RATIO / ENCODER_ANGLE_RATIO;// 初始化舵机的转向系数ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].max_relative_angle = 180;ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].min_relative_angle = -180;pid_init(&ChassisHandle.chassis_motor[i].pid, POSITION_PID, M3508_MOTOR_MAX_CURRENT, 3000.0f,10.0f, 0.0f, 2.0f);
//      pid_init(&ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].pid.outer_pid, POSITION_PID, 500.0f, 0.0f,
//                 20.0f, 0.0f, 4.0f);         // 20 0 4
//      pid_init(&ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].pid.inter_pid, POSITION_PID, GM6020_MOTOR_MAX_CURRENT, 3000.0f,
//                 40.0f, 0.1f, 0.0f);      // 40   pid_init(&ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].pid.outer_pid, POSITION_PID, 500.0f, 0.0f,20.0f, 0.0f, 0.0f);         // 20 0 4pid_init(&ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].pid.inter_pid, POSITION_PID, GM6020_MOTOR_MAX_CURRENT, 3000.0f,10.0f, 0.0f, 0.0f);      // 40   }
}void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{CAN_RxHeaderTypeDef rx_header;uint8_t             rx_data[8];/*CAN2接收*/if(hcan->Instance == CAN2){HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data); //receive can dataswitch(rx_header.StdId){/*行进轮*/case CHASSIS_MOTOR_LF_MESSAGE_ID :{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[0].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_MOTOR_RF_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[1].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_MOTOR_LB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[2].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_MOTOR_RB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[3].motor_info, rx_data);break;}/*转向轮*/case CHASSIS_STEER_MOTOR_LF_MESSAGE_ID :{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_steer_motor[0].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_RF_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_steer_motor[1].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_LB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_steer_motor[2].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_RB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_steer_motor[3].motor_info, rx_data);break;}}}/*CAN1接收*/else if(hcan->Instance == CAN1){HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rx_header, rx_data); //receive can dataswitch(rx_header.StdId){case CHASSIS_STEER_MOTOR_LF_MESSAGE_ID :{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[0].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_RF_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[1].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_LB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[2].motor_info, rx_data);break;}case CHASSIS_STEER_MOTOR_RB_MESSAGE_ID:{Motor_EncoderData(ChassisHandle.chassis_motor[3].motor_info, rx_data);break;}}}
}

首先，我们定义了ChassisHandle 的结构体，结构体内包含各个电机的信息、控制的模式、行进速度、舵机转角等，具体如下：

typedef struct
{Console_t*              console; //控制器模式IMU_Data_t*             imu; //IMU模块MechanicalStructure_t   structure; //底盘硬性参数ChassisMotor_t          chassis_motor[4]; //行进轮电机Chassis_steer_Motor_t   chassis_steer_motor[4]; //舵轮电机ChassisCtrlMode_e       ctrl_mode; //控制模式fp32                    vx; //Vx                      fp32                    vy; //Vy                   fp32                    vw; //Vw   fp32                    wheel_rpm[4]; //用于存储转速信息fp32                    steeringAngleTarget[4];//舵机的目标转角              fp32                    lastSteeringAngletarget[4]; //上一次的目标转角fp32                    steeringAngle[4]; //当前的舵机转角                     fp32                    last_steeringAngle[4]; //上一次的舵机转角int32_t                 motor_circle[4]; //电机转过的圈数int32_t                 motor_target_count[4]; //Steer_Type              steer_set[4]; //用于舵轮速度解算uint16_t                turnFlag[4];       //舵轮角度解算fp32                    chassis_yaw; //陀螺仪角度信息，下同  fp32                    chassis_pitch; fp32                    chassis_roll;}ChassisHandle_t;

app文件用于初始化底盘信息的结构体，并获取各模块的指针信息。HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan) 为CAN的中断回调函数，接收电机编码器信息存入motor_info中。详细可看我的上一篇博客Robomaster电控组小白的学习经验分享（一）——用大疆C型开发板控制GM6020电机转动到既定角度_STF故事的博客-CSDN博客

ChassisHandle.chassis_steer_motor[0].offset_ecd.chassis_offset_ecd =1726; ChassisHandle.chassis_steer_motor[1].offset_ecd.chassis_offset_ecd =20;
ChassisHandle.chassis_steer_motor[2].offset_ecd.chassis_offset_ecd =7789;
ChassisHandle.chassis_steer_motor[3].offset_ecd.chassis_offset_ecd =3370;

这四行代码用于初始化舵机的偏移量，使四个舵机无论怎样安装，都可以在开机时回到设定的初始位置，偏移量要根据自己舵轮底盘舵机的安装方位而改变。

2.Chassis_steer_function.c

#include "Chassis_steer_function.h"
#include "arm_math.h"
#include "math.h"fp32 Chassis_Steer_PID_Calc(Chassis_steer_pid_t* pid, fp32 angle_ref, fp32 angle_fdb, fp32 speed_fdb)   //底盘舵电机PID（角度+速度）
{pid->angle_ref = angle_ref;pid->angle_fdb = angle_fdb;pid_calc(&pid->outer_pid, pid->angle_fdb, pid->angle_ref);//角度环pid->speed_ref = pid->outer_pid.out;pid->speed_fdb = speed_fdb;pid_calc(&pid->inter_pid, pid->speed_fdb, pid->speed_ref);//速度环return pid->inter_pid.out;
}void Steer_Speed_Calculate(ChassisHandle_t* chassis_handle, fp32 chassis_vx, fp32 chassis_vy, fp32 chassis_vw) //舵轮轮速解算
{float theta = atan(1.0/1.0);                     //程序换算角度为弧度不能直接使用！！fp32 steer_vw=chassis_vw*3.14/180;float wheel_rpm_ratio;fp32 wheel_rpm[4];fp32 max = 0;/*M3508_REDUCTION_RATIO为M3508减速比（1.0/19.0）*/wheel_rpm_ratio = 60.0f/(chassis_handle->structure.wheel_perimeter * M3508_REDUCTION_RATIO);    //舵轮转速转换wheel_rpm[0]= sqrt(pow(chassis_vx - steer_vw*RADIUS*sin(theta),2)                + pow(chassis_vy - steer_vw*RADIUS*cos(theta),2))* wheel_rpm_ratio*chassis_handle->steer_set[0].speed_direction;        //对应华南理工公式  Vx1-Vw1sin45*RADIUS    wheel_rpm[1]= sqrt(   pow(chassis_vx - steer_vw*RADIUS*sin(theta),2)+ pow(chassis_vy + steer_vw*RADIUS*cos(theta),2))* wheel_rpm_ratio*chassis_handle->steer_set[1].speed_direction;        //对应华南理工公式  Vx2+Vw2sin45*RADIUS                                                                                                                                                                                                                                                                                                wheel_rpm[2]= sqrt( pow(chassis_vx + steer_vw*RADIUS*sin(theta),2)+ pow(chassis_vy + steer_vw*RADIUS*cos(theta),2))* wheel_rpm_ratio*chassis_handle->steer_set[2].speed_direction;        //对应华南理工公式  Vy1-Vw1cos45*RADIUS  wheel_rpm[3]= sqrt(   pow(chassis_vx + steer_vw*RADIUS*sin(theta),2)+ pow(chassis_vy - steer_vw*RADIUS*cos(theta),2))*wheel_rpm_ratio*chassis_handle->steer_set[3].speed_direction;        //对应华南理工公式  Vy2+Vw2cos45*RADIUS //find max itemfor (uint8_t i = 0; i < 4; i++){if(chassis_handle->turnFlag[i]==1){wheel_rpm[i] = -wheel_rpm[i];}else{wheel_rpm[i] = wheel_rpm[i];}if (fabs(wheel_rpm[i]) > max){max = fabs(wheel_rpm[i]);}}memcpy(chassis_handle->wheel_rpm, wheel_rpm, 4 * sizeof(fp32));}void Steer_angle_change(ChassisHandle_t* chassis_handle, fp32 chassis_vx, fp32 chassis_vy, fp32 chassis_vw)
{float theta = atan(1.0/1.0);fp32 wheel_angle[4];      fp32 steer_vw=chassis_vw*3.14/180;if((chassis_vx==0)&&(chassis_vy==0)&&(chassis_vw==0))              {memcpy(wheel_angle, chassis_handle->lastSteeringAngletarget, 4 * sizeof(fp32));}else      //舵轮角度解算       {wheel_angle[0]=atan2((chassis_vy-steer_vw*RADIUS*sin(theta)),(chassis_vx-steer_vw*RADIUS*cos(theta)));       //对应华南理工公式VX=tan-1((vy1-vw1cos45)/(vx1-vw1sin45))wheel_angle[1]=atan2((chassis_vy+steer_vw*RADIUS*sin(theta)),(chassis_vx-steer_vw*RADIUS*cos(theta)));       //对应华南理工公式VX=tan-1((vy2-vw2cos45)/(vx2+vw2sin45)) wheel_angle[2]=atan2((chassis_vy+steer_vw*RADIUS*sin(theta)),(chassis_vx+steer_vw*RADIUS*cos(theta)));       //对应华南理工公式VX=tan-1((vy3+vw3cos45)/(vx3+vw3sin45)) wheel_angle[3]=atan2((chassis_vy-steer_vw*RADIUS*sin(theta)),(chassis_vx+steer_vw*RADIUS*cos(theta)));       //对应华南理工公式VX=tan-1((vy4+vw4cos45)/(vx4-vw4sin45)) for(uint8_t i=0;i<4;i++)                                                {if(wheel_angle[i]-chassis_handle->lastSteeringAngletarget[i]>PI/2){wheel_angle[i]=fmodf(wheel_angle[i]-PI,2*PI);chassis_handle->turnFlag[i]=1;}else if(wheel_angle[i]-chassis_handle->lastSteeringAngletarget[i]<-PI/2){wheel_angle[i]=fmodf(wheel_angle[i]+PI,2*PI);chassis_handle->turnFlag[i]=1;}else{chassis_handle->turnFlag[i]=0;}      }}memcpy(chassis_handle->lastSteeringAngletarget, wheel_angle, 4 * sizeof(fp32));for(uint8_t i=0;i<4;i++){wheel_angle[i]=wheel_angle[i]*180/PI;       }        memcpy(chassis_handle->steeringAngleTarget, wheel_angle, 4 * sizeof(fp32));
}void Steer_Calculate(ChassisHandle_t* chassis_handle, fp32 chassis_vx, fp32 chassis_vy, fp32 chassis_vw)   //舵轮底盘解算
{   Steer_angle_change(chassis_handle,chassis_vx,chassis_vy,chassis_vw);    Steer_Speed_Calculate(chassis_handle,chassis_vx,chassis_vy,chassis_vw);
}void Steer_Chassis_ControlCalc(ChassisHandle_t* chassis_handle)
{Steer_Calculate(chassis_handle, chassis_handle->vx, chassis_handle->vy, chassis_handle->vw);
}void calculateRoundCnt(ChassisHandle_t* chassis_handle)
{static float last_encoder[4] = {0};for(uint8_t i=0;i<4;i++){float now_encoder = chassis_handle->chassis_steer_motor[i].motor_info->ecd-   chassis_handle->chassis_steer_motor[i].offset_ecd.chassis_offset_ecd;now_encoder = now_encoder/8192*360;if(now_encoder - last_encoder[i] > 180)chassis_handle->motor_circle[i] --;else if(now_encoder - last_encoder[i] < -180) chassis_handle->motor_circle[i] ++;last_encoder[i] = now_encoder;chassis_handle->steeringAngle[i] = -now_encoder -  chassis_handle->motor_circle[i]*360;chassis_handle->chassis_steer_motor[i].sensor.relative_angle=chassis_handle->steeringAngle[i]*-1;}
}void calculateTargetRoundCnt(ChassisHandle_t* chassis_handle)
{float now_target[4];static float last_target[4]={0,0,0,0};memcpy(now_target, chassis_handle->steeringAngleTarget, 4 * sizeof(fp32));for(uint8_t i=0;i<4;i++){if(now_target[i] - last_target[i] > 180) chassis_handle->motor_target_count[i] --;else if(now_target[i] - last_target[i]  < -180) chassis_handle->motor_target_count[i] ++;last_target[i] = now_target[i];chassis_handle->steeringAngleTarget[i] = now_target[i] + chassis_handle->motor_target_count[i]*360 ;}
}

function文件用于舵轮的姿态解算以及其他的底层函数。以上代码参考了华南理工的舵轮开源

RM_scut_infantry: RM2021-华南理工大学-普渡华南虎战队-舵轮步兵代码

Chassis_Steer_PID_Calc函数为双环PID的解算函数；Steer_Speed_Calculate函数为行进轮转速的解算函数，即求Vx1、Vx2、Vx3、Vx4，然后将计算结果复制到ChassisHandle结构体中的wheel_rpm[4]；Steer_angle_change函数用于解算舵机的转角（θ1、θ2、θ3、θ4），然后复制到ChassisHandle结构体中的steeringAngleTarget[4]数组。

calculateRoundCnt函数用于计算当前舵机的相对角度，将编码器的值转换为以度为单位的角度值，存入ChassisHandle结构体中的steeringAngle[4]；calculateTargetRoundCnt函数是对ChassisHandle结构体中steeringAngleTarget[4]数组中的数据进行处理，跟踪每个电机旋转的次数，并相应地调整转向角度目标值。

3.Chassis_steer_function.c

#include "Chassis_steer_task.h"
#include "Chassis_steer_app.h"
#include "Chassis_steer_function.h"
#include "cmsis_os.h"
#include "bsp_can.h"extern ChassisHandle_t ChassisHandle;static void ChassisSensorUpdata(void);
void ChassisCtrlModeSwitch(void);
static void ChassisStopMode(void);
static void ChassisTestMode(void);
static void ChassisSeparateGimbalMode(void);
static void ChassisSpinMode(void);void Chassis_Task(void const * argument)
{for(;;){ChassisSensorUpdata();ChassisCtrlModeSwitch();switch(ChassisHandle.ctrl_mode){case CHASSIS_SEPARATE_GIMBAL:{ChassisSeparateGimbalMode();}break;case CHASSIS_SPIN:{ChassisSpinMode();}break;case CHASSIS_TEST:{ChassisTestMode();}break;case CHASSIS_STOP:{ChassisStopMode();}break;default:break;}calculateRoundCnt(&ChassisHandle);calculateTargetRoundCnt(&ChassisHandle);Steer_Chassis_ControlCalc(&ChassisHandle);for (uint8_t i = 0; i < 4; i++)             //PID控制{ChassisHandle.chassis_motor[i].given_speed = ChassisHandle.wheel_rpm[i];ChassisHandle.chassis_motor[i].current_set = pid_calc(&ChassisHandle.chassis_motor[i].pid,ChassisHandle.chassis_motor[i].motor_info->speed_rpm,ChassisHandle.chassis_motor[i].given_speed);ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].given_value=ChassisHandle.steeringAngleTarget[i];ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].current_set = Chassis_Steer_PID_Calc(&ChassisHandle.chassis_steer_motor->pid, ChassisHandle.steeringAngleTarget[i],ChassisHandle.chassis_steer_motor->sensor.relative_angle, ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].sensor.palstance);//ChassisHandle.imu->gyro[2]*RAD_TO_ANGLE}                                                                                                                    //ChassisHandle.chassis_steer_motor->motor_info->speed_rpmif(ChassisHandle.ctrl_mode == CHASSIS_RELAX)     {for (uint8_t i = 0; i < 4; i++){ChassisHandle.chassis_motor[i].current_set = 0;ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].current_set = 0;}}Motor_SendMessage(&hcan2,MOTOR_1TO4_CONTROL_STD_ID,ChassisHandle.chassis_motor[0].current_set,ChassisHandle.chassis_motor[1].current_set,ChassisHandle.chassis_motor[2].current_set,ChassisHandle.chassis_motor[3].current_set);       //轮输出Motor_SendMessage(&hcan2,MOTOR_5TO8_CONTROL_STD_ID,ChassisHandle.chassis_steer_motor[0].current_set, ChassisHandle.chassis_steer_motor[1].current_set, ChassisHandle.chassis_steer_motor[2].current_set,ChassisHandle.chassis_steer_motor[3].current_set);   //舵输出osDelay(10);}}static void ChassisSensorUpdata(void)    //传感器数据更新
{for(uint8_t i=0;i<4;i++){ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].sensor.palstance=ChassisHandle.chassis_steer_motor[i].motor_info->speed_rpm*6; //更新四个电机的角速度值}ChassisHandle.chassis_pitch=ChassisHandle.imu->attitude.pitch;ChassisHandle.chassis_roll=ChassisHandle.imu->attitude.roll;ChassisHandle.chassis_yaw=ChassisHandle.imu->attitude.yaw;
}void ChassisCtrlModeSwitch(void)
{if(ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_RELEASE_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_RELAX;}else if(ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_FOLLOW_GIMBAL_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_FOLLOW_GIMBAL;}else if(ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_SEPARATE_GIMBAL_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_SEPARATE_GIMBAL;}else if(ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_SPIN_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_SPIN;}else if(ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_TEST_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_TEST;}else if (ChassisHandle.console->chassis_cmd == CHASSIS_STOP_CMD){ChassisHandle.ctrl_mode = CHASSIS_STOP;}
}static void ChassisStopMode(void)//停止模式
{ChassisHandle.vx=0;ChassisHandle.vy=0;ChassisHandle.vw=0;
}static void ChassisTestMode(void)//底盘测试模式VX,VY,VW测试
{ChassisHandle.vx=ChassisHandle.console->chassis.vx;ChassisHandle.vy=ChassisHandle.console->chassis.vy;ChassisHandle.vw=ChassisHandle.console->chassis.vw;
}static void ChassisSeparateGimbalMode(void)//分离模式
{ChassisHandle.vx = ChassisHandle.console->chassis.vx;ChassisHandle.vy = ChassisHandle.console->chassis.vy;ChassisHandle.vw=ChassisHandle.console->chassis.vw;
}   static void ChassisSpinMode(void)//小陀螺模式
{ChassisHandle.vw = 160;//160为初始值（详细可见infantry_console.c中的小陀螺模式切换，会在160的基础上再乘以spin_rate）/*在除keyboard2模式下，vw的值在infantry_console.c中都没有过赋值，因此在此处自己赋值*/ChassisHandle.vx = ChassisHandle.console->chassis.vx;ChassisHandle.vy = ChassisHandle.console->chassis.vy;  }

最后写freeRTOS的任务函数（各种模式的选择，PID运算以及CAN发送等）。

总结

以上便是本人对舵轮底盘的学习分享，自己加入嵌入式组也仅仅只有一年，还有很多要学习的地方。文章中有什么错误的、不合理的地方也希望大家能批评指正。写这篇博客旨在对自己近期的学习进行总结，也希望能帮助到大家。代码中还有很多需要改善的地方。由于机械组还未做出舵轮底盘，所以以下的视频仅仅只是电机的测试。

舵轮电机测试

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