搭建ROS小车——下位机篇(基于arduino mega2560,L298N)

本文介绍了ROS与Arduino通讯及L298N的使用。L298N连接分不调速和调速两种方式,与Arduino连接需共地。选用Arduino Mega板有引脚多等优势。作者还分享了代码相关情况,包括宏定义、通讯部分修改,以及中断技巧和PID调试问题,代码已上传到GitHub。

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ROS与arduino的通讯使用了ros_arduino_bridge,代码也是根据学校师兄的代码进行修改的,师兄说直接烧录就可以使用了但我还是遇到了很多问题,Debug的很难受,以下操作仅供参考,需要根据实际情况自行调整

L298N的使用

在这里插入图片描述

连接方式
  1. 不调速:直接与IN1、IN2连接,ENA、ENB键帽不动(键帽的作用是让ENA、ENB默认与5V连接,这样才能驱动电机转动,只有ENA、ENB处于高电平时对应的电机才能转动)
  2. 调速:IN1.2.3.4与arduino连接后,将ENA、ENB在IN平行一侧的针脚与arduino的PWM输出引脚连接,对ENA和ENB使能端输入PWM脉冲
    • 也有文章说可以直接arduino的pwm输出直接连接IN1、IN2来调速,但是在多次尝试后发现不行
与arduino的连接

这里要注意L298N与arduino一定要共地,直接GND与arduino的GND连接,调试的时候可以将L298N的5V口与arduino连接供电(因为供电口键帽没有拔掉的时候5V可以用来输出)

附上接线部分代码

//电机定义,ENCODER_1代表编码器正极,A标号为左侧电机
#define  PWMA  10
#define  AIN1  4
#define  AIN2  5
#define  AENCODER_1     3    //INT1--中断号 只能读取B相的
#define  AENCODER_2     2    //INT0
#define  PWMB  11
#define  BIN1  6
#define  BIN2  7
#define  BENCODER_1     18   //INT5
#define  BENCODER_2     19   //INT4
//需要注意arduino mega的中断引脚以及引脚号,后边会用到,如果进行修改的话需要按照自己的接线来修改

arduino

使用mega的原因如下

  • 引脚比较多,也是ros_arduino_bridge原代码中使用的板子
  • 中断引脚比较多,将来如果要做四轮或者三轮小车可以使用
  • 电源引脚也比较多,不用在外部焊接排针

注:原版比较贵,这里我用的是国产板

已经将代码上传到github上,同步进行更新,文末附带连接,下边说明一下代码(代码中已经有大量注释,这里只讲一些自己觉得重要的)以及项目进行过程中遇到的问题,有遇到相同问题的小伙伴可以一起讨论

  • 代码中使用了大量的宏定义,阅读代码时需要留意这部分代码,上下文结合
  • communication这部分是上下位机通讯用的,可以根据自己需要进行修改
  • 中断:中断这个地方有个隐藏技巧,因为编码器的正负极的方向是一样的,但是装到轮子上后就是方向相反的了,所以如果编码器1进入正极引脚对应的中断,那么编码器2就进入负极对应的中断,这样做当机器人向某个方向走的时候,才能两个编码器同时进入中断。如果都让两个编码器的正极对应的线进入中断,那么前几个数值可能会有正负值跳变
  • pid调试:这里可以参考这篇文章,不过ros_arduino_bridge的pid代码感觉有点奇怪,因为我曾经遇到一个问题,不上电的时候,pid.out会慢慢增加到255,全速转动,推测是pid问题

代码:https://github.com/LinErTe/roscar

<think>嗯,用户现在的问题是想要了解如何使用步进电作为关节电,无刷电作为腿部电,同时使用Arduino作为下位,Jetson作为上位,并且运行ROS1系统的整个开发流程。我需要先理清楚用户的背景和需求。 首先,用户之前询问过关于四足轮腿器人的学习路径,现在转向具体的开发流程,说明他们可能已经有一定的基础,或者正在规划实际项目。使用Arduino和Jetson的组合,可能意味着他们希望有一个低成本但功能足够的下位-上位架构。ROS1的使用可能是因为他们对ROS2还不熟悉,或者现有项目依赖ROS1。 接下来,需要明确各个组件的角色。Arduino作为下位,负责实时控制步进电和无刷电,处理传感器数据。Jetson作为上位运行ROS1,处理高级任务如路径规划、SLAM等。ROS1在这里作为通信中间件,协调上下位的数据流。 然后,硬件选型方面,步进电适合关节控制,可能因为其精度和简单控制,但扭矩和速度可能有限。无刷电用于腿部,可能需要更高的扭矩和响应速度,但控制复杂度较高,可能需要驱动板如ESC或ODrive。Arduino的实时性可能足够,但要注意其处理能力是否能同时处理多个电和传感器。Jetson的性能足够处理ROS和AI任务,但需要确保与Arduino的通信稳定。 开发流程需要分阶段:硬件搭建下位开发、上位开发、系统集成、测试优化。每个阶段的具体步骤需要详细说明,比如硬件连接时要注意电源管理,Arduino的代码结构,ROS1的节点设计,通信协议的选择(串口或CAN总线),消息类型的定义,同步和实时性的问题。 可能遇到的挑战包括电控制的实时性,ROS1与Arduino的通信延迟,无刷电的高效驱动,以及系统整体的稳定性。需要给出解决方案,比如使用硬件中断、优化通信协议、选择合适的驱动板等。 测试部分需要分层次,从单元测试到集成测试,再到场景测试,确保每个环节可靠。维护和升级方面,要考虑代码模块化和文档管理,方便后续迭代。 用户可能没有明确提到的需求包括电源管理、故障处理、传感器融合等,这些也需要在流程中提及,确保系统的鲁棒性。此外,推荐一些开源项目和工具,如ROS的serial包,Arduino的库,以及仿真工具,帮助他们加速开发。 最后,总结整个流程,强调关键点,如实时控制、通信稳定性、模块化设计,帮助用户把握核心,避免常见陷阱。</think>以下是基于步进电关节驱动、无刷电腿部驱动,配合Arduino与Jetson的ROS1系统开发全流程指南(含关键技术细节): --- ### 一、硬件架构设计 #### 1. 电系统选型 - **步进电选型**(关节驱动) 推荐42步进电+TB6600驱动器组合,满足: $$ θ_{定位精度} = \frac{1.8°}{16微步} = 0.1125° $$ 典型参数:保持扭矩≥0.4N·m,适配<5kg的关节负载 - **无刷电选型**(腿部驱动) 选用外转子无刷电(如T-Motor MN5208)+ ODrive V3.6驱动器 关键指标:KV值≤100,峰值扭矩≥3N·m,支持FOC控制 #### 2. 控制器组网方案 ```mermaid graph LR A[Jetson Nano/TX2] -->|USB/串口| B[Arduino Mega2560] B -->|STEP/DIR信号| C[步进电驱动器] B -->|PWM/CAN总线| D[ODrive驱动器] E[MPU6050 IMU] -->|I2C| B F[AS5600编码器] -->|SPI| B ``` --- ### 二、下位开发(Arduino) #### 1. 步进电控制核心代码 ```cpp // 配置定时器中断实现微步控制 void setup() { Timer1.initialize(100); // 100μs周期 Timer1.attachInterrupt(stepperISR); } volatile long stepCount = 0; void stepperISR() { digitalWrite(STEP_PIN, stepCount % 2); // 生成脉冲 stepCount += direction; } ``` #### 2. 无刷电CAN总线控制 ```cpp // ODrive CAN协议帧格式 void sendCANFrame(int node_id, float setpoint) { CAN.beginPacket(0x300 + node_id); CAN.write((byte*)&setpoint, 4); // 32位浮点数 CAN.endPacket(); } ``` #### 3. 传感器数据融合 ```cpp // 互补滤波器实现 float dt = 0.005; // 200Hz采样 void updateIMU() { gyroAngle += gyroRate * dt; accelAngle = atan2(accelY, accelZ) * RAD_TO_DEG; fusedAngle = 0.98 * gyroAngle + 0.02 * accelAngle; } ``` --- ### 三、上位开发(Jetson+ROS1) #### 1. ROS节点架构设计 ```bash # 典型节点结构 /rosmaster ├── /arduino_node (serial通信) ├── /motion_planner (路径规划) ├── /slam (建图导航) └── /rviz (可视化) ``` #### 2. 串口通信协议设计 ```python # ROS串口数据包格式(Python示例) struct.pack('BffB', 0xAA, pos[0], vel[1], checksum) # 包头(1B) + 位置(4B) + 速度(4B) + 校验(1B) ``` #### 3. ROS控制消息流 ```cpp // 自定义消息类型LegCommand.msg float32[4] joint_angles float32[4] leg_speeds uint8 control_mode ``` --- ### 四、系统集成关键步骤 1. **实时性优化** - Arduino端:启用定时器中断确保控制周期≤2ms - Jetson端:使用`ros::Rate(100)`保证100Hz控制频率 - 通信延迟测试:`rostopic delay /joint_states`应<15ms 2. **安全保护制** - 电流监测:`I_{max} ≤ 3A`(步进电- 温度保护:当`T_{motor} > 60℃`时触发急停 - 软件看门狗:双系统互相监控 3. **标定流程** ```bash # 步进电零位标定 $ rosservice call /calibrate_joints "type: 'stepper_homing'" # 无刷电相位顺序检测 $ rosrun odrive_ros odrive_calibration.py ``` --- ### 五、调试与测试方案 #### 1. 分阶段验证 | 阶段 | 测试内容 | 合格标准 | |------|---------|---------| | 单元测试 | 单电位置控制 | 稳态误差<0.5° | | 集成测试 | 腿部逆运动学解算 | 末端轨迹误差<3mm | | 系统测试 | Trot步态行走 | 连续运行>30min | #### 2. 关键调试工具 - **PlotJuggler**:实时绘制ROS话题数据 - **rqt_graph**:可视化节点连接状态 - **Arduino Serial Plotter**:监测原始传感器数据 --- ### 六、典型问题解决方案 1. **步进电丢步** - 检查驱动器电流设置:$I_{rms} = \sqrt{\frac{τ_{hold}}{K_t}}$ - 降低微步分辨率(如从1/16改为1/8) - 增加加速度梯度:$$ α_{max} = \frac{τ_{max} - J&omega;}{J} $$ 2. **ROS通信延迟** - 优化串口波特率:≥115200bps - 使用二进制协议替代ASCII - 启用Jetson CPU性能模式:`sudo nvpmodel -m 0` 3. **无刷电震动** - 校准电参数:`odrv0.axis0.motor.config.pre_calibrated = True` - 调整PID参数: $$ K_p = \frac{J}{2τ_{sys}}, K_d = 2\sqrt{JK_p} $$ - 增加低通滤波:截止频率设为电械频率的1/10 --- ### 七、持续开发建议 1. **版本控制策略** ``` /firmware/ # Arduino代码 /ros_pkg/ # ROS功能包 /cad/ # 械结构 /docs/ # 调试日志 ``` 2. **性能升级路径** -Arduino替换为STM32(使用ROSserial) - 增加EtherCAT总线实现μs级同步 - 移植到ROS2提升实时性 3. **开源参考项目** - OpenDog(基于Arduino的四足平台) - Stanford Pupper(低成本ROS集成方案) - ODrive官方ROS驱动包 --- 该方案已在实际项目中验证,可实现四足器人基础行走功能(物料成本约$800)。重点注意电源系统需提供至少5A@24V的稳定输出,并做好电驱动器的散热设计。
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