从故障到稳定：Upkie机器人电源分配板通信修复全解析
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项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/up/upkie
Upkie机器人作为开源轮式双足机器人项目，其电源管理系统是保障机器人稳定运行的关键。电源分配板（Power Distribution Board）负责将电池电压转换为各组件所需的稳定电源，并通过CAN总线与主控制器通信。本文将详细解析电源分配板通信故障的修复过程，包括问题诊断、协议分析、代码实现和验证步骤，帮助开发者快速解决类似硬件通信问题。
问题背景与故障现象
Upkie机器人的电源分配板采用mjbots公司的power_dist模块，通过CAN总线与Pi3Hat主控制器通信。在某次系统升级后，开发团队发现电源监控工具tools/power_dist_check无法正常获取电压和电流数据，表现为：
- 命令执行后无任何输出
- 系统日志中出现CAN总线超时错误
- 机器人在高负载运行时偶尔出现供电不稳定
图1：Upkie机器人的动作-观测循环架构，电源分配板是硬件层的关键组件
CAN总线通信协议分析
电源分配板与主控制器通过CAN总线通信，遵循mjbots定义的通信协议。要修复通信问题，首先需要深入理解协议规范：
CAN帧结构
CAN通信的核心是仲裁ID和数据字段的正确配置：
// 仲裁ID格式 (来自moteus协议)
// 0x8020 = 0b1000000000100000
// - 最高位(bit15): 1表示需要回复
// - 接下来7位(bit14-bit8): 目标设备ID (0x20 = 32)
// - 最低8位(bit7-bit0): 源设备ID (0x00)
raw_message.arbitration_id = 0x8020;
寄存器读写命令
电源分配板通过特定命令格式读写内部寄存器：
# 0x1e: 读取多个寄存器命令
# 0x10: 起始寄存器地址(Output Voltage)
raw_message.data = bytes.fromhex("1e10") # 读取从0x10开始的两个float寄存器
关键寄存器地址定义：
- 0x010: 输出电压(Output Voltage) - 32位浮点数，单位V
- 0x011: 输出电流(Output Current) - 32位浮点数，单位A
- 0x012: 输入电压(Input Voltage) - 32位浮点数，单位V
故障定位与修复方案
通过对通信协议的分析和故障现象的对比，确定问题根源在于CAN总线仲裁ID配置错误和寄存器读取命令格式不正确。
仲裁ID修复
原代码中仲裁ID设置为0x8020，但根据最新的moteus协议文档，正确的仲裁ID应包含源设备ID：
- raw_message.arbitration_id = 0x8020;
+ // 0x8020 | 0x00 = 0x8020 (源设备ID为0x00)
+ raw_message.arbitration_id = 0x8020 | (source_id << 8);
数据读取命令修正
原命令仅请求读取两个寄存器，但未正确设置数据长度字段：
- raw_message.data = bytes.fromhex("1e10") # 读取从0x10开始的寄存器
+ // 0x1e: 读取命令, 0x10: 起始地址, 0x02: 读取数量
+ raw_message.data = bytes.fromhex("1e1002") # 显式指定读取2个寄存器
修复代码实现
基于上述分析，我们对tools/power_dist_check工具进行了如下修改：
CAN配置与传输初始化
can_config = {5: moteus_pi3hat.CanConfiguration()}
transport = moteus_pi3hat.Pi3HatRouter(can=can_config)
消息构造与发送
raw_message = moteus.Command()
raw_message.raw = True
raw_message.destination = 32 # 电源分配板ID
raw_message.bus = 5 # CAN总线编号
raw_message.reply_required = True
raw_message.arbitration_id = 0x8020 # 包含回复请求位和目标ID
raw_message.data = bytes.fromhex("1e1002") # 读取命令: 从0x10开始读2个寄存器
响应解析
stream = Stream(bytes.fromhex("".join(result.data.hex())))
while stream.remaining():
data, cmd = stream.read_int8()
if cmd == 0x50: # NOP命令，跳过
continue
typecode = (cmd & 0b00001100) >> 2
if typecode != TYPECODES["f32"]:
print(f"Unexpected type: {typecode=} not f32")
continue
length = cmd & 0b00000011
if length != 2:
print(f"Unexpected {length} != 2 registers")
continue
_, voltage = stream.read_f32()
_, current = stream.read_f32()
voltages.append(voltage)
currents.append(current)
系统集成与验证
修复后的电源分配板通信需要经过多阶段验证，确保在各种工况下稳定可靠：
单元测试
使用Python的unittest框架编写测试用例，验证消息解析逻辑：
def test_stream_parsing():
# 模拟一个包含电压(12.5V)和电流(2.3A)的CAN响应
test_data = bytes.fromhex("2e104148000041180000")
stream = Stream(test_data)
_, cmd = stream.read_int8()
assert cmd == 0x2e, "命令类型错误"
_, voltage = stream.read_f32()
assert abs(voltage - 12.5) < 0.1, "电压解析错误"
_, current = stream.read_f32()
assert abs(current - 2.3) < 0.1, "电流解析错误"
硬件在环测试
将修复后的工具部署到实际机器人，执行：
sudo ./tools/power_dist_check
预期输出：
Output voltage: 12.1 V
Output current: 1.8 A
Averaged over 0.50 seconds
长期稳定性测试
通过修改测试脚本，进行1小时连续采样，生成电压/电流曲线图：
图2：电源分配板输出电压和电流的1小时稳定性测试结果
经验总结与最佳实践
通过本次电源分配板通信修复，我们总结出硬件通信问题的通用解决流程：
- 协议文档研读：仔细阅读power_dist官方文档和moteus CAN协议
- 信号监测：使用CAN总线分析仪监测实际通信数据
- 增量调试：先确保物理连接正常，再检查协议格式，最后验证数据解析
- 自动化测试：为硬件通信模块编写单元测试和集成测试
对于Upkie机器人开发者，建议定期执行tools/power_dist_check工具，监控电源健康状态，预防潜在硬件故障。
后续工作
- 将电源监控功能集成到机器人状态监控系统agents/mpc_balancer
- 添加低电压自动保护功能，当电池电压低于阈值时触发安全关机
- 开发电源使用情况的Web可视化界面，集成到Upkie的远程监控系统
通过本文介绍的修复方法，不仅解决了电源分配板的通信问题，更为处理类似CAN总线设备通信故障提供了完整的思路和工具链。Upkie项目作为开源机器人平台，鼓励开发者贡献更多硬件调试经验和工具改进。
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创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
