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本帖最后由 FFD8 于 2024-11-11 13:30 编辑 # 【2024 DigiKey创意大赛】基于Raspberry Pi 5的三全向轮自动导航小车 ## 一、作品简介 ### 1.1 功能介绍： 利用Raspberry Pi 5、激光雷达等硬件，基于ROS系统，完成一款具有路径规划，自主导航的三轮小车。通过传感器技术和智能算法，实现室内外环境的自动导航和避障功能。 ------------ 本次项目计划通过软件仿真和实物设计两部分完成： **1、仿真部分：**在ubuntu搭建机器人系统仿真环境，仿真实现涉及的内容主要有: 1.1. 对机器人建模(URDF) 2.2. 创建仿真环境(Gazebo) 3.3. 感知环境(Rviz)等系统性实现。 **2、实物部分：**搭建机器人实物系统，构建环境地图，驱动小车按照既定路径运动。 ### 1.2 物料清单： 大赛经费购买部分：Raspberry Pi 5、BME280、BME680 自备物料部分：stm32、电机驱动、底盘车体等；导航激光：YDlidar X2L等 设计参考：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/ ## 二、系统框图 ### 2.1 软硬件设计： ### 2.2系统架构 机器人导航主要涉及： 1、全局地图 2、自身定位 3、路径规划 4、运动控制 5、环境感知 1. 全局地图 SLAM(simultaneous localization and mapping),也称为CML (Concurrent Mapping and Localization), 即时定位与地图构建，或并发建图与定位。SLAM问题可以描述为: 机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动,在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，以绘制出外部环境的完全地图。 2. 自身定位 amcl(adaptiveMonteCarloLocalization)自适应的蒙特卡洛定位,是用于2D移动机器人的概率定位系统。它实现了自适应（或KLD采样）蒙特卡洛定位方法，该方法使用粒子过滤器根据已知地图跟踪机器人的姿态。 3. 路径规划 导航就是机器人从A点运动至B点的过程，在这一过程中，机器人需要根据目标位置计算全局运动路线，并且在运动过程中，还需要时时根据出现的一些动态障碍物调整运动路线，直至到达目标点，该过程就称之为路径规划。在 ROS 中提供了 move_base 包来实现路径规则,该功能包主要由两大规划器组成: 全局路径规划(gloable_planner)：根据给定的目标点和全局地图实现总体的路径规划，使用 Dijkstra 或 A* 算法进行全局路径规划，计算最优路线，作为全局路线 本地时时规划(local_planner)：在实际导航过程中，机器人可能无法按照给定的全局最优路线运行，比如:机器人在运行中，可能会随时出现一定的障碍物。本地规划的作用就是使用一定算法(Dynamic Window Approaches) 来实现障碍物的规避，并选取当前最优路径以尽量符合全局最优路径 全局路径规划与本地路径规划是相对的，全局路径规划侧重于全局、宏观实现，而本地路径规划侧重与当前、微观实现。 4. 运动控制 导航功能包集假定它可以通过话题“cmd_vel”发布geometry_msgs/Twist类型的消息，这个消息基于机器人的基座坐标系，它传递的是运动命令。这意味着必须有一个节点订阅“cmd_vel”话题， 将该话题上的速度命令转换为电机命令并发送。 5. 环境感知 感知周围环境信息，比如: 摄像头、激光雷达、编码器。摄像头、激光雷达可以用于感知外界环境的深度信息，编码器可以感知电机的转速信息，进而可以获取速度信息并生成里程计信息。 在导航功能包集中，环境感知也是一重要模块实现，它为其他模块提供了支持。其他模块诸如: SLAM、amcl、move_base 都需要依赖于环境感知。 ------------ ## 三、各部分功能说明 ### 3.1 仿真部分实现 该部分将在仿真环境，简易实现小车的模型设计，slam建图，导航控制等功能。 仿真环境搭建于ubuntu1404系统，用到的相关组件有：urdf,rvize,gazebo等。 **URDF：**是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构。 **rviz：** 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的主要目的是以三维方式显示ROS消息，可以将 数据进行可视化表达。 **gazebo：**是一款3D动态模拟器，用于显示机器人模型并创建仿真环境,能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。 机器人的系统仿真是一种集成实现，主要包含三部分: - 1、URDF 用于创建机器人模型 - 2、Gzebo 用于搭建仿真环境 - 3、Rviz 图形化的显示机器人各种传感器感知到的环境信息 ### 具体环境搭建步骤如下（详情参考下方视频）： #### 1、虚拟机、ubuntu1404系统安装略； #### 2、安装ros-melotic:wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros #### 3、安装功能包： 安装 gmapping 包(用于构建地图):sudo apt install ros-melodic-gmapping 安装地图服务包(用于保存与读取地图):sudo apt install ros-melodic-map-server 安装 navigation 包(用于定位以及路径规划):sudo apt install ros-melodic-navigation #### 4、编写launch文件（直接使用编写好的文件即可） #### 5、实现slam建图： 5.0：环境配置：source ./devel/setup.bash 5.1：启动gazebo仿真环境：roslaunch urdf_gazebo demo03_env.launch 5.2：启动地图绘制launch：roslaunch nav_demo nav_01_slam.launch 5.3：启动键盘控制节点：rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py 5.4：通过键盘控制仿真机器人在模拟环境中运动，直到探索完整个地图 5.5：保存地图：roslaunch nav_demo nav_02_map_save.launch ，成功运行后会再本地生成pgm地图 #### 6、定位：roslaunch nav_demo test_amcl.launch #### 7、导航：roslaunch nav_demo nav_06_test.launch **开始导航** **导航中** **完成导航** ### 3.2 实物部分实现 #### 3.2.1 树莓派串口通信 **1、修改配置文件，开启uart2,3,4,5：** sudo vim /boot/firmware/config.txt  #（ubuntu是这个，raspiberrypi是/boot/config） 在文件最后增加： dtoverlay = uart2 dtoverlay = uart3 dtoverlay = uart4 dtoverlay = uart5 reboot重启后，dev中会增加相关设备名称： **2、安装libmodbus库** 2.1 上传modbus.zip库文件到树莓派 2.2 解压缩源码压缩包：unzip modbus.zip 2.3 进入源码目录 cd libbodbus-master/ 2.4 运行：./autogen.sh 2.5 新建install文件夹：mkdir install 2.6 运行： ```c ./configure --prefix=/home/ubuntu/libmodbus-master/install/ ``` 2.7 编译：make 2.8 安装：make install 2.9 拷贝共享库 **3、编译测试程序** 3.1 上传测试程序modbus-test.zip到树莓派 3.2 编译，生成可执行程序modus_test 3.3 树莓派引脚图如下： 各 UART 串口与 GPIO（对应的是BCM编码） 对应关系： UART0： GPIO14 = TXD0 -> ttyAMA0     GPIO15 = RXD0 -> ttyAMA0 UART2： GPIO0  = TXD2 -> ttyAMA1     GPIO1  = RXD2 -> ttyAMA1 UART3： GPIO4  = TXD3 -> ttyAMA2     GPIO5  = RXD3 -> ttyAMA2 UART4： GPIO8  = TXD4 -> ttyAMA3     GPIO9  = RXD4 -> ttyAMA3 UART5： GPIO12 = TXD5 -> ttyAMA4     GPIO13 = RXD5 -> ttyAMA4 **4、测试方法：** 4.1 程序包含了RTU协议的主机和从机模式，可以启动程序后自由选择 4.2 选择待测试的两个串口（UART2、UART5），用杜邦线连接，UART2的Rx,Tx连接UART5的Tx,Rx； 4.3 开两个终端，启动程序./modus_test  和./modus_test ttyAMA4，（程序后面带的参数是设备号） 4.4 程序启动后需要选择运行模式：主机、从机，一个程序选主机、另一个选从机 正常运行将如下打印： #### 3.2.2 chassis_node节点 底盘控制节点与stm32通过串口，以modbus-rtu协议通信，实现各个电机的速度解算及反馈里程信息计算。 底盘全向轮安装示意图： stm32接线定义： #### 3.2.3 keycontrol_node节点 ros原本的键盘控制节点不太好用，根据实际情况重新写了键盘控制节点发布cmd_vel话题。 开启该节点后使用方法如下： #### 3.2.4 ladir_node节点 参考官方使用手册，加载ros源码即可。 #### 3.2.5 底盘控制功能 1、启动底盘节点：rosrun chassis_driver chassis_driver_node 2、启动键盘控制节点：rosrun chassis_driver keypad_control_node 通过按键发布速度指令，控制小车移动，同时在rvize中可以添加小车模型，查看odom数据。 [localvideo]d8dce2b234987ffccf6b3652ab77bc43[/localvideo] #### 3.2.6 建图功能 1、启动gmapping建图：roslaunch mycar_description gmapping.launch 2、在rvize中查看实时扫描的地图 3、在环境中放置一个障碍物，控制小车运动，探索周围环境，开始建图。 [localvideo]e33a0aa8bb4fd8c27b3d633b9dc1ad05[/localvideo] #### 3.2.6 保存地图功能 1、启动保存建图：roslaunch mycar_description map_save.launch 2、在map文件夹下查看建好的地图pgm文件。 [localvideo]94318f034a920fbeb5c4b769f24187f6[/localvideo] ## 四、作品源码 ### 4.1 仿真部分： ### 4.2 实物部分： stm32驱动：https://gitee.com/FFD8/STM32F100RBT_robot 树莓派ros系统： ## 五、作品功能演示视频 ### 仿真部分： [localvideo]70879fd8073f2359a644efe3f79ea899[/localvideo] ### 实物部分： [localvideo]21e976744e33865dbf7270466c6526f2[/localvideo] ## 六、项目总结 非常有幸能够参加此次创意大赛，这不仅是一次展示自己创意的机会，更是一个宝贵的学习平台。在比赛的过程中，我通过与其他参赛者的交流与合作，不仅增强了团队协作能力，还提升了解决实际问题的技巧。同时，我深入了解了相关领域的最新技术和创新思路，进一步拓宽了自己的知识面。 通过这次经历，我更加明确了自己未来的学习方向和创新潜力，也收获了宝贵的经验，期待未来能有更多的机会参与此类活动。 再次感谢DigiKey、EEworld对“2024 DigiKey 创意大赛”的大力支持，希望越办越好。 ------------ 其他相关帖： 【2024 DigiKey 创意大赛】-1、物料开箱帖：https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1290219-1-1.html ## 七、其他 ------------

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Jacktang 发表于 2024-8-12 07:20   这个图没发上来 已重新上传

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Jacktang 发表于 2024-8-12 07:27 效果看了，动作还挺灵活   初步完成功能，后续还可以继续优化

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本帖最后由 FFD8 于 2024-8-13 14:08 编辑 > **感谢DigiKey,EEworld组织此次活动，很荣幸能够入围参加这次活动，下面是此次参赛选择的物料清单及开箱记录。** ## 物料清单 ### 1、Raspberry Pi 5 第一时间配了个壳子和散热风扇 ### 2、湿度温度传感器：BME280 ### 2、气体、湿度、压力、温度传感器：BME680

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本帖最后由 FFD8 于 2024-8-11 15:57 编辑 # 【超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux（带 SoM 和扩展板）】 - 5.详细设计 ## 项目介绍： 本次项目拟制作一台三个全向轮底盘的的ROS小车，采用超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux做为系统主控，结合stm32及其他硬件设备，实现速度控制、里程反馈等功能。 ### 实物图： ### 软、硬件设计： ### 系统架构： ### 程序流程： ## 详细设计 ### 1、Quantum Tiny Linux 使用ROS系统，实现键盘输入检测keypad_control节点和chassis_driver底盘控制节点。 #### 1. 其中keypad_control节点启动后持续检测键盘输入信号，当有W，A，S，D，Q，E，空格按键按下后，根据下表规则，发布底盘速度数据Vx，Vy，Vw。 #### 2. 其中chassis_driver节点订阅keypad_control发布的速度数据，同时接收stm32返回的实际速度数据，实现速度解算和里程计算。 1、速度下发：对键盘输入的速度进行解算，并按照三麦伦结构的运动学模型，将整体速度set_speed_分解，计算每一个轮上的速度大小set_speed.moto，通过modbus-rtu协议下发至stm32。 2、实际速度接收：通过modbus-rtu协议由stm32反馈每个轮上的实际速度cur_speed； 3、里程计算：根据每个轮的实际速度及获取数据的时间间隔，解算出整车的实际速度Vx,Vy,Vw及变化量，然后累加得到里程数据。 ### 2、stm32 使用stm32F100RBT6，基于freertos系统，创建三个任务：1、程序心跳任务；2、速度解析任务；3、速度控制+实际速度反馈任务。 1. 程序心跳任务：系统启动后，心跳灯保持闪烁； 2. 速度解析任务：解析Quantum Tiny Linux下发的设置速度数据； 3. 速度控制+实际速度反馈任务：利用pid控制每个轮子的设置速度，更新实际速度数据； 引脚定义如下： ## 功能演示 ```cpp 1、ssh远程登录Quantum Tiny Linux； 2、进入ROS工作空间； 3、启动roscore，chassis，keycontrol节点； 4、按键控制小车运动（前进，后退，旋转，横移）； 5、里程计算； ``` 演示视频 [localvideo]eb3a1901f3604649ea9b1290b9a1016a[/localvideo] ## 相关代码 stm32:https://gitee.com/FFD8/STM32F100RBT_robot.git Quantum Tiny Linux:https://gitee.com/FFD8/ros_chassis.git ## 总结 Quantum Tiny Linux开发板在ROS系统下构建全向轮小车的试用中表现出色。 其强大的硬件性能、ROS支持和控制操作性能使其成为机器人开发的理想选择。尽管存在一些潜在的不足之处，但总体来说，这是一款出色的产品，适合各种机器人项目的开发者和爱好者。 整体功能的介绍到这里就结束了，后续我会不断完善功能，持续探索。再次感谢DigiKey、EEWorld！

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# 【超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux（带 SoM 和扩展板）】 - 4.运动模型分析等 ## 项目介绍： 本次项目拟制作一台三个全向轮底盘的的ROS小车，采用超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux做为系统主控，结合stm32及其他硬件设备，实现速度控制、里程反馈等功能。 ## 1、三全向轮结构的运动学模型： 底盘半径r，假设整体速度Vx、Vy、Vw，各轮上速度如下： V_m1 = Vx \cos(90) + Vy + r*Vw V_m2 = -Vx \cos(30) - Vy \cos(60) + r*Vw V_m3 = Vx \cos(30) - Vy \cos(60) + r*Vw 以m3为例，速度分解图示如下： ## 2、脉冲信号解算为实际速度 参考：https://blog.csdn.net/qq_56089182/article/details/128767997 ## 3、速度控制 参考：pid控制

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本帖最后由 FFD8 于 2024-7-13 01:02 编辑 # 【超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux（带 SoM 和扩展板）】 - 3.uart测试及安装libmodbus库 *本次项目涉及和底盘控制模块的串口通信，先测试下Quantum的串口收发功能，再安装好libmodbus开源库，为后续阶段做准备。* ## 1、uart收发测试 用排针引出扩展板上的串口： 1、下载UART_test.zip，上传到Quantum,并解压缩unzip UART_test.zip； 2、进入目录：cd UART_test 3、编译：make 4、执行：./uart_test 5、根据扩展板上的丝印信息对应连接usb2ttl的GND,Rx,Tx 6、PC打开串口调试助手，波特率9600，每间隔1S可收到Rimipi回传的串口数据：Hello Quantum Tiny Linux!!! 7、串口助手发送数据，Quantum也可以顺利接收 8、测试结束，串口功能可以正常使用 收发测试视频： [localvideo]7bd4e3f9a35272f3b49c7ebac1a90f08[/localvideo] ------------ ## 2、安装libmodbus库 ### 1、下载源码： git clone https://github.com/stephane/libmodbus.git 或者下载附件 然后上传到Quantum ### 2、安装 1、解压缩源码：unzip libmodbus.zip 2、进入源码目录：cd libbodbus-master 3、运行：./autogen.sh 4、新建install文件夹：mkdir install 5、运行：./configure --prefix=/home/pi/Downliads/libmodbus-master/install/ 6、运行：make & make install 7、编译成功后，在install文件夹下会生成头文件及库文件 ### 3、库测试 进入tests目录，开两个窗口分别运行：./unit-test-client  ./unit-test-server。能正常跑起来就说明安装成功了。 视频完整记录了库安装和测试的详细过程： [localvideo]0d1bf5a28f4f00d668c31a29510417e3[/localvideo]

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本帖最后由 FFD8 于 2024-7-7 14:43 编辑 # 【超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux（带 SoM 和扩展板）】 - 2.ROS安装 本次项目计划在ROS-melodic上实现，所以系统更新到18.04即可。 虽然在该系统上安装ROS-melodic时遇到了一些问题，但最终还算顺利解决，安装详情可供参考。 ## 1、笔者通常使用鱼香ROS一键安装： ```c wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros ``` 但是这次在安装ROS-melodic最后阶段，提示安装失败。 ## 2、换第二种方式： ```c sudo apt install ros-melodic-ros-base ``` 安装时提示依赖关系异常： ```c The following packages have unmet dependencies: ros-melodic-desktop-full : Depends: ros-melodic-desktop but it is not going to be installedDepends: ros-melodic-perception but it is not going to be installedDepends: ros-melodic-simulators but it is not going to be installedDepends: ros-melodic-urdf-sim-tutorial but it is not going to be installed E: Unable to correct problems, you have held broken packages. ``` > **最终在这里找到解决方案：https://answers.ros.org/question/299260/unmet-dependencies-when-installing-melodic-on-ubuntu-1804/** ## 3、最终安装方式： ```c sudo aptitude install ros-melodic-ros-base ``` 成功安装ROS-melodic ## 4、远程连接桌面，同时测试一下ROS ```c //在两个窗口分别运行 roscore rostopic list ``` [localvideo]9d0684d54f73556040587dce592bb4c2[/localvideo]

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Jacktang 发表于 2024-7-7 09:26 升级过程中遇到的问题解决了没有 运行文档中提到的命令即可解决

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本帖最后由 FFD8 于 2024-7-6 09:16 编辑 # 超小型 Linux 开发套件：Quantum Tiny Linux（带 SoM 和扩展板） ### 相关资料： https://wiki.seeedstudio.com/cn/Quantum-Mini-Linux-Development-Kit/ https://github.com/peng-zhihui/Project-Quantum https://gitee.com/coolflyreg163/quark-n 本开发套件的底板名为 Atom-N，通过M.2接口连接Quark-N。 夸克迷你开发者套件Atom-N可能是市面上最小的Linux卡片电脑, 本套件包含一个搭载四核CPU的高度集成SOM核心板，以及一个多功能IO扩展底板，可以在40mm x 35mm的尺寸上运行Linux系统, 并具备出色的扩展功能。您可以将它用于搭建个人服务器、开发智能语音助手、设计机器人等场景。 开发板的核心是一块名为Quark-N的SOM核心板，它基于Allwinner H3, 架构为四核Cortex-A7 CPU + Mali400 MP2 GPU，PCBA使用6层高密度沉金PCB工艺制造，集成了完整的片上ARM-Linux系统（包含CPU、DDR、eMMC），核心板尺寸只有惊人的2x3cm！ Atom-N上扩展搭载了麦克风、MPU6050 IMU（加速度计和陀螺仪）、板载4个按键、1.35寸的IPS显示屏、Wi-Fi/蓝牙模块、喇叭功放、两个USB-A接口、以及2.0mm排针的额外GPIO（包含I2C、SPI、UART等）。 ### 产品特性 - 体积超小 (31mm x 22mm) 和高度集成的四核Cortex-A7 Linux SoM - 带有丰富外围设备和接口的底板(40mmx35mm) : 麦克风，陀螺仪，加速度计，4个按钮和TFT显示屏等 - 集成了完整的ARM-Linux系统以进行高级开发 - 无线连接能力(Wi-Fi + 蓝牙) - 具有m.2接口可以轻松设计您的底板 - 广泛的应用场景，例如个人服务器，智能语音助手和机器人开发等 - USB Type-C功能：带USB-TTL可以直接用于串口登录终端 ### 规格参数 ## 1、镜像烧录 下载制作好的系统镜像：https://files.seeedstudio.com/wiki/Quantum-Mini-Linux-Dev-Kit/quark-n-21-1-11.zip 烧录到内存卡中： ## 2、上电启动： [localvideo]c0eca37260db4d353973111245ee1909[/localvideo] 配置一下wifi ```c nmcli dev wifi connect "SSID" password "PASSWORD" ifname wlan0 ``` ssh登录 ## 3、系统升级 从Ubuntu 16.04 升级到Ubuntu 18.04 LTS： ```c sudo apt-get update sudo apt-get upgrade sudo apt-get autoremove sudo apt dist-upgrade sudo apt-get install update-manager-core sudo do-release-upgrade /* 升级过程中遇到的问题 提示 “Your python3 install is corrupted. Please fix the ‘/usr/bin/python3’ symlink.”，执行如下命令： sudo ln -sf /usr/bin/python2.7 /usr/bin/python sudo ln -sf /usr/bin/python3.5 /usr/bin/python3 */ ```

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极限零 发表于 2024-3-14 15:02 3个三麦克拉姆轮底盘的控制那不是比4轮的还麻烦？ 是麻烦一点，个人学习一下

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freebsder 发表于 2024-3-14 15:17 这么小？没看到主芯片呢 图片上有的嘞，确实比较小一点。

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lugl4313820 发表于 2024-3-14 09:59 仔细学习了一下，你这是用RV1103做主控吧，这样的实时性如何？ 简单测试了下响应很快，基本无感哦，但是cpu占用比较高，只能完成简单的底盘控制了。

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