在ROS中通过Arduino实现对4WD轮式机器人的简单控制
本文涉及的内容都是针对四轮小车的,如果你的是两轮或者其他形式的小车,请参考其他文章。当然如果你感兴趣的话,本文也有一定的参考价值。另外,本文的内容仅供参考,如有错误,望各位不吝赐教。
目录
- 目录
- 运动学分析
- 计算车轮转速
- 代码实现
- 硬件连接
- 测试你的代码
- 后记
- 参考资料
运动学分析
在用代码实现之前,我们最好先简单了解一下相关的原理。这种4WD轮式机器人准确的说是采用所谓”滑动控制“(Skid-steer Drive),这是一种类似于差速控制(Differential Drive)的运动方式。
NOTE:具体可以参考我的相关博文:机器人差速驱动方式(Differential Drive)和 机器人滑动转向驱动方式(Skid-steer Drive)。
参考阿克曼(Ackerman)转向几何学原理,即在汽车转向时4个轮胎都近似围绕一个中心点旋转以保证汽车的行驶稳定性,但是由于四轮差速转向小车没有转向机构,很难保证这一点,而且,小车转向时很容易和地面发生滑移。把汽车的形心作为质心,并且忽略路面情况变化等的影响,可得出四轮差速转向小车的运动学模型如下图所示。
在该图中α1\alpha_1、α2\alpha_2分别为前左轮和后左轮,前右轮和后右轮的转角;2L2L为左右轮距离;2K2K为前后轮轴距;vv和ww分别为车子质心的线速度和角速度,V1V_1,V2V_2,V3V_3,V4V_4分别为各个轮中心的实际运动方向。
根据上图可以得出各速度的和转动角度的关系:
V_1=w\cdot R_1=w\cdot \frac{K}{\sin \alpha_1}
V_2=w\cdot R_2=w\cdot \frac{K}{\sin \alpha_2}
V_3=V_1=w\cdot \frac{K}{\sin \alpha_1}
V_4=V_2=w\cdot \frac{K}{\sin \alpha_2}
由公式Vy=V⋅cosαV_y=V\cdot \cos \alpha可得:
V_1y=V_1\cos \alpha_1=\frac{w\cdot K}{\tan \alpha_1}=w(R-L)
V_2y=V_2\cos \alpha_2=\frac{w\cdot K}{\tan \alpha_2}=w(R+L)
V_3y=V_3\cos \alpha_1=\frac{w\cdot K}{\tan \alpha_1}=w(R-L)
V_4y=V_4\cos \alpha_2=\frac{w\cdot K}{\tan \alpha_2}=w(R+L)
式中, R=vwR=\frac{v}{w}。
则电机的角速度为:
w_n=\frac{V_ny\cdot i}{r}, n=1,2,3,4
式中, ii为电动机的减速比,rr为车轮的半径。电机的转速可以根据 n=w2πn=\frac{w}{2\pi}得到。
计算车轮转速
在明白了转向原理之后,我们可以根据实际小车的尺寸算出我们要的数据。我使用的小车的各项参数如下:
- 前后轮轴距2K=168mm2K=168mm
- 左右轮距离2L=266mm2L=266mm
- 车轮直径r=130r=130
- 电动机减速比1:301:30
在这里我们需要各个轮子的转速,我们指定小车转向的角速度ww为5rad/s5rad/s,转向半径RR为100mm100mm。由上面的公式便可得出各个轮子的转速:n1=n3=18.3m/sn_1=n_3=18.3m/s
n2=n4=116.1m/sn_2=n_4=116.1m/s
代码实现
首先我们要包含所需要的头文件:
#include <AFMotor.h>
#include <ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
其中AFMotor.h
驱动电动机驱动板(我所用的是L293D)的头文件,另外两个请参考ROS的wiki文档。
//setting each motor
AF_DCMotor rightFront(3);
AF_DCMotor leftFront(4);
AF_DCMotor leftBack(1);
AF_DCMotor rightBack(2);
设置每个电机在驱动板上对应的接口。
//x轴方向的速度
double lin_vel = 0.0;
//y轴方向的速度
double ang_vel = 0.0;
int cmd_ctrl = 0;
//注册ROS节点
ros::NodeHandle nh;
//回调函数
void motor_cb(const geometry_msgs::Twist& vel)
{lin_vel = vel.linear.x;ang_vel = vel.angular.z;cmd_ctrl = 1 * lin_vel + 3 * ang_vel;
}
//设置订阅的消息类型和发布的主题
ros::Subscriber<geometry_msgs::Twist> sub("/turtle1/cmd_vel", motor_cb);
这一部分的作用主要是订阅相关的控制消息。
void setup() {nh.initNode();nh.subscribe(sub);// Turn on all 4 motorsrightFront.setSpeed(200);rightFront.run(RELEASE);leftFront.setSpeed(200);leftFront.run(RELEASE);leftBack.setSpeed(200);leftBack.run(RELEASE);rightBack.setSpeed(200);rightBack.run(RELEASE);
}
初始化节点、车轮速度等。
void loop() {nh.spinOnce();switch (cmd_ctrl){case 2: {Serial.print("Go Forward!\n");//delay(1000);rightFront.setSpeed(116);leftFront.setSpeed(116);leftBack.setSpeed(116);rightBack.setSpeed(116);rightFront.run(FORWARD);leftFront.run(FORWARD);leftBack.run(FORWARD);rightBack.run(FORWARD);delay(1000);rightFront.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);break;}case -2:{Serial.print("Go Backward!\n");//delay(1000);rightFront.setSpeed(116);leftFront.setSpeed(116);leftBack.setSpeed(116);rightBack.setSpeed(116);rightFront.run(BACKWARD);leftFront.run(BACKWARD);leftBack.run(BACKWARD);rightBack.run(BACKWARD);delay(1000);rightFront.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);break;}case 6:{Serial.print("Turn Left!\n");//delay(1000);rightFront.setSpeed(116);rightFront.run(FORWARD);rightBack.setSpeed(116);rightBack.run(FORWARD);leftFront.setSpeed(18);leftFront.run(BACKWARD);leftBack.setSpeed(18);leftBack.run(BACKWARD);delay(1000);rightFront.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);break;}case -6:{Serial.print("Turn Right!");//delay(1000);rightFront.setSpeed(18);rightFront.run(BACKWARD);rightBack.setSpeed(18);rightBack.run(BACKWARD);leftFront.setSpeed(116);leftFront.run(FORWARD);leftBack.setSpeed(116);leftBack.run(FORWARD);delay(1000);rightFront.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);break;}default:{//delay(1000);rightFront.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);delay(1000); break;}
}rightFront.run(RELEASE);rightBack.run(RELEASE);leftFront.run(RELEASE);leftBack.run(RELEASE);cmd_ctrl = 0;
}
当接收到右转消息时,内轮速度设为18,外轮速度设置为116;左转同理。
硬件连接
将电机驱动板L293D和Arduino板的相应接口(数字一一对应)通过杜邦线连接起来,具体针脚连接方式如下:
如果只想使用直流/步进电机应该连接以下引脚:
- 数字端口11:直流电机#1/步进#1(PWM)
- 数字端口 3:直流电机#2/步进#1(PWM)
- 数字端口 5:直流电机#3/步进#2(PWM)
- 数字端口 6:直流电机#4/步进#2(PWM)
如果要控制直流/步进电机应该增加以下引脚:
- 数字引脚4:DIR CLK触发
- 数字引脚7:DIR EN指令的允许端EN
- 数字引脚8:DIR SER
- 数字引脚12:DIR ATCH中断连接
另外,GND、5V引脚必须也要连接,否则的话就无法稳定地控制直流电动机。
具体接线图如下所示:
NOTE:当然如果你的Arduino上不连接其他传感器的话,你可以直接将L293D直接”骑“到Arduino板子上,即所有对应的引脚都连接起来,这种方法比较简单但是所有的引脚都被占用了。
测试你的代码
首先在你的Arduino编译并上传写好的代码,然后运行下面的命令以指定串口来连接Arduino板。
note:在运行节点之前别忘了启动节点管理器(roscore)。
rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0
最后一个参数要根据你在Arduino IDE中选择的串口而定,这里我们使用的是ACM0。
接着运行:
rosrun turtlesim turtle_teleop_key
使用方向键你就可以自由地控制你的机器人了。
后记
本文只是介绍实现对差速轮式机器人的简单控制,无法实现精准的控制。如要更深入的学习请参考ROS的官方wiki。本文中的示例代码可以在这里下载。
参考资料
- 杨俊驹,林睿,等.轮式移动机器人运动控制系统研究与设计[J].苏州大学:现代电子技术,2016,39(2):23-27.
- ROS Wiki: rosserial_arduino Tutorials
- adafruit.com: Using DC Motors
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
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