基于RTT驱动“舵机转向小车”的实现过程

  的学生提供一个方便使用的控制素材，我设计了一个轮式驱动单元，其最大特点是将驱动和码盘反馈集成到一起，用几个TTL电平线就可以驱动，和舵机的驱动类似，这样使用时能够准确的通过喜好、需要随意选择核心板驱动

  可以用它构建不同驱动方式的小车底盘，最简单的一种驱动方式是使用一个轮式驱动单元加一个舵机实现的“单轮驱动舵机转向小车”，它的运动方式和现实世界中的电动叉车类似

  因这种驱动方式小车的转向和行走两个主要控制元素相互独立，从学习编程角度考虑，相对于两轮差分驱动方式更简单、容易。

  当时目标是降低学习门槛，故选了Arduino作为控制器。为便于接线，选择了市场上的一种 Nano 扩展板，其外形和UNO一样，只是将每个IO都配了一个地线和电源端，用杜邦线连接十分方便

  后来觉得Arduino Nano控制器资源太少，考虑改用主流的STM32F103C8T6核心板，但Nano扩展板的构思不错，边参考它自己设计了一块 STM32F103C8核心板的扩展板

  由于大环境影响，国产OS被重视，在RTOS领域，RT-Thread无疑是国产系统中的佼佼者。故萌生了在小车平台上尝试一下的念头，既然有可以方便使用的STM32F103C8扩展板，又有和STM32F103C8核心板兼容的STM32F411CE核心板，小车的控制也应该提升一下，跑跑我们自己的RTOS。

  下面将完整地记录实施过程，期望能对想选用 RT-Thread 开发产品的朋友有帮助，因为小车控制相对实时性要求比较高，有真实的多任务需求，不同于HMI（人机界面）类应用，用事件驱动即可，没那么强的实时性、并发性要求。

  按实时多任务的思路，基于 RT-Thread，完成小车驱动，并能够最终靠串口（蓝牙透传）操纵小车运动。

  因为RT-Thread 的特色是有丰富的组件和软件包可以扩展，但要享用这些，必须是标准版；如果用Nano版，和FreeRTOS区别不大。故选择RT-Thread标准版。

  我做项目通常是先构思程序框架，将所需完成的功能合理拆解，根据功能确定框架。

  选用成熟的RTOS，只是有了多任务实现的手段和工具，程序框架还要自己设计。

  对于基于RTOS的程序而言，首先要设计的就是任务（在RT-Thread中为线程），根据RTOS所提供的工具，结合自己想要实现的功能，合理划分任务，创建相应的线程，并确定线程之间的交互方式及内容，从而完成一个基于RTOS的多任务控制程序。

  任务划分的首要目标是相对独立，即所构建的任务是完整的，有清晰的输入消息和输出结果，其工作只是对输入进行相应处理，给出输出，中间过程不受其它因素所牵制。

  其次是任务可一次完成，中间没有长时间的等待操作，任务通常是处在等待输入的状态，收到输入后，即刻完成对输入的处理，输出结果，之后再次回到等待输入状态。

  这样设计主要是因为：所谓多任务操作，表面上看每个任务都在连续执行，实质上MCU还是分时处理各个任务，只是通过RTOS在后台切换。

  RTOS调度的方式决定了各个任务的分配时间和响应速度，各家RTOS的调度方式虽有不同，但都遵循一个原则：即处于等待状态的任务不分配运行时间，这样才可以使程序达到最佳效率。

  使用RTOS的等候消息函数，就是告知OS，我目前“没事”，在等新的消息。

  基于这样的形式构建任务除了保证程序的执行效率和实时性外，还便于调试。可人为注入消息触发任务执行，观察输出结果是不是满足设计即可。还能够用多模块方式，一个任务一个模块，由多人分别编写、合作完成。

  基于RTOS编程，考虑到其多任务的特点，通常是先做一个基础框架，再根据不同的场景设计相应的任务。

  所谓“基础框架”，就是结合单片机应用的特点，将一些通用需求纳入，这样在每次做新的项目时以此为基础，增加新的功能即可。

  1）串口命令接收：作为人机交互通道，代替以往通过按键实现的程序操控手段。操作命令的产生可以用PC、手机之类有丰富交互手段的设备，比实体按键更为灵活、直观、丰富。

  2）串口数据发送：作为人机交互通道，代替以往通过显示器实现的信息输出，一样能用PC、手机之类的设备接收后显示，界面设计远比显示屏灵活、丰富、随心所欲。之所以将收、发分开，是考虑到输出信息需要服务于所有任务，以便功能设计更为合理。

  3）调试信息输出任务：在没有或不可以使用IDE调试手段时，需要在程序中输出相应的调试信息，以实现 Debug ；不过，RT-Thread 内置Finsh 十分完善，故选用RT-Thread则不再要设计此任务，这是 RT-Thread 优点之一。

  4）看护任务：利用RTOS的信息交互机制，周期性地与各任务交换信息，当出现不应答时，说明对应的任务工作异常，可以做相应的操作。这样处理无需复位，导致其它任务被非正常中断，增加了程序的可靠性。即便不处理，也能利用调试信息输出及时有效地发现是哪个任务异常，以便消除隐患。

  5）主应用任务：前面几个任务属于框架的基础任务，未涉及程序需要执行的实际功能，主应用任务就是实现具体功能的核心。设计主应用任务是考虑到一般来说，程序均有一个核心的部分，用于管理、协调一些子功能，使得程序运行有序；它相当于一个管理者。这个在抽象的框架设计时只完成了信息交互，在具体到特定的需求时再完善设计。

  6）其它任务：相当于执行者，完成特定的功能。同上，这个任务在框架设计时只是完成和主应用任务的信息交互，具体实施时再详细设计。

  1、接受串口操作命令，解析并执行。具体而言就是2个命令：按指定速度前进或后退指定距离、转向角度。

  据此，考虑设置两个执行任务：电机驱动、舵机驱动，以及一个主应用任务，负责接受、解析操作命令，将相应操作信息发送给相应的执行任务。

  舵机的操作方式按道理无需单设为一个任务，因为它自身闭环，无需程序去处理反馈和修正。但考虑到逻辑上的独立性，以及未来用多个舵机和轮式驱动单元构成的全向小车驱动，舵机转向构建为一个独立的任务有助于程序的可维护性和可扩展性。

  1）主应用任务：解析所设计的操作命令，将命令参数提取后发送给相应的执行任务，并应答。

  2）电机驱动：接收执行参数实现PWM电机驱动，并根据码盘反馈实现调速和行走距离控制，反馈当前运作时的状态给主应用任务。

  3）舵机驱动：接收执行参数，执行舵机操作；基于舵机特性，反馈舵机当前状态（正在运行、已到位）。

  一个任务常常需要接收多个消息，而且是来自不同的任务；为实现将这些消息通过一个等待函数获取，RTOS提供了一个方便的手段：事件组；即将若干消息汇总在一起，一个消息对事件的一位；而且等待的方式也很灵活，可以是“与”的关系，即所关注的各个消息都出现才触发；也可以是“或”的关系，即出现任意一个消息就触发。

  事件组虽然解决了等待多个消息的问题，但所传递的内容往往不够，一个消息有时包含许多参数，如通讯命令的内容。

  邮箱只传送一个字（4字节），很多时候也不够，我习惯于用邮箱传递存放数据的指针，将要传送的消息定义为一个数据结构，通过指针传送，这样比较灵活。

  曾经用过队列传输，但需要预先确定队列项长度，很难一次规划到位，后期修改挺麻烦，故改用邮箱。

  串口是作为单片机的操作输入通道，取代传统模式下的按键操作。通过串口命令操作单片机远比设计实体按键灵活方便，而且

  硬件资源占用也少。此任务要实现对串口命令的接收和初步解析，将命令内容转发给主应用任务处理。

  通讯协议的定义也是串口命令的重点，要考虑的简洁性和可扩展性的平衡，同时要兼顾应用场景的需求。

  ROS）中的ROS Serial 协议设计的。因为小车有无线通讯的需求，故在协议中有相应的通讯地址，以便在一个通道上实现多机通讯。串口通讯协议如下：

  0xFF 0xFE（2字节帧同步字） 帧长L 帧长H 帧长校验和 目标地址 源地址 帧数据区 帧校验和

  帧长 —— 帧数据区数据字节数，不含帧校验和、目标地址和源地址；先低后高，最大支持65535字节，实际不一定需要，但有可能超过256字节，所以用2字节。

  帧长校验和 —— 2字节帧长算数和取反，取最低字节。借鉴ROS Serial协议

  帧校验和 —— 数据区所有字节的算数和取反，取最低字节。如果数据长度为0，则CS为0xFF。

  至于 Val的数据如何定义，取决于 Key，可以定义为结构、数据、或者更复杂的数据，也可以简单的定义为字节、字、整形。

  由于上述协议定义的是变长帧，无法对整个数据帧进行滑窗比较，只能基于协议，找到帧头的特征后，再对整个数据帧接收，之后再通过校验判断此帧是否正确。

  目的是为了在小车运行过程中检测特定变量的值，从而发现程序出现的问题，类似于在IDE环境下设置断点，停下程序后检查内存变量值。

  将需要监测的变量设计为全局变量或静态变量，在编译产生的 map 文件中可以查到相应的地址，通过读内存操作可随时观察变量的变化。

  RAMROM、硬件工作寄存器均在一个地址空间，因此还能够最终靠读内存功能监测MCU相应硬件的工作状态（读取相应寄存器值），以确定初始化是不是正常，运行是不是正确。这个功能作为调试信息输出的补充，可以使调试手段更为丰富。调试信息输出需要预先嵌入一段代码，而读内存操作可以每时每刻使用，只要对象不是动态变量。

  te，L-H）读字节数（1byte）读取从数据地址开始的N字节数据，用于调试及故障远程诊断。

  从数据地址开始写 N 字节数据，用于调试，及临时性的参数设置，需要保护，以免引起程序崩溃。

  如果写失败（所写地址不在允许范围内容，或长度超过设定），则实际写字节数为 0。

  LED数码管作为信息输出手段；但目前多数单片机系统已不需要这样设计，通过串口输出信息，使用PC、手机这类显示功能完善的设备作为单片机系统信息输出的呈现手段，比、LCD屏更为直观、灵活、美观，而且占用硬件资源极少。因程序框架是多任务方式，理论上各个任务都有输出信息的需求，故将串口发送功能独立设计为一个任务，可以服务于所有任务。

  为减少内存消耗，发送数据传递消息只传输存放指针，发送任务依据数据结构定义，取出要发送的数据。串口发送速度和内存操作相比慢很多，要发送的数据放置在各自任务中，在每次需要发送前，需要确定上次数据是不是取走，以避免数据覆盖，导致发送数据错误。

  看护任务的设计目前只是示意性的，没有实质的恢复处理。因为恢复处理应该要依据具体功能确定，没有统一的方法。

  多数单片机系统虽无需显示器，但工作状态指示通常都有，可直观的反映系统是否在正常运行，一般是通过LED的闪烁变化呈现。

  此处参考FreeRTOS的异常指示方式设计了LED显示功能，正常时，LED等间隔闪烁，当发现某个任务异常时，按任务顺序会出现间断闪烁。具体方式为：

  如果是1号任务异常，则一个周期闪烁1次，其余9次对应暗状态；如果是2号，一个周期闪2次、暗8次，以此类推，最多能支持9个任务的异常指示。

  1）解析串口接收任务发来的操作命令，根据命令将参数发给电机驱动和舵机驱动任务。

  0x03 0x09 0x00 电机工作参数（2字节）电机运作时的状态（2字节）电机

  供电电压（1字节）电机供电电流（2字节）舵机操作角度（1字节）舵机当前状态（1字节）电机工作参数：PWM值或速度值

  0x06 0x05 0x00 工作速度（2字节） 运行时间（2字节） 舵机角度（1字节）

  电机速度： 2 字节有符号数，单位：mm/s，正数前进，负数倒退，0 - 惰行，32767 - 刹车，-32768 - 无效速度，不操作

  0x06 0x05 0x00 工作速度（2字节） 运行距离（2字节） 舵机角度（1字节）

  读状态命令则由主任务完成，为提高响应速度，两个驱动任务定时将自身的工作状态反馈给主任务，主任务接收并保存，以便随时响应读状态命令。

  主任务等待的消息为：串口任务发来的命令、电机驱动及舵机驱动反馈的状态、看护任务发来的询问。

  输出的信息为：发给电机驱动及舵机驱动的解析后命令参数，发给串口发送任务的应答信息。

  信号后，电机驱动H桥使电机线圈处于开路状态，电机转子会由于惯性，继续转动到机械阻力使其停止。刹车 —— 是指在停止PWM信号后，电机驱动H桥使电机线圈处于短路状态，电机转子由于惯性转动产生的感应电势形成电流，产生阻力，和机械阻力共同作用使其停止。

  基于正常转动的特征：相邻两个脉冲的周期不会突变（排除干扰造成的脉冲丢失、抖动等异常状况）。

  在测速周期内，一方面对脉冲计数，得到完整脉冲的计数值。同时测量每个脉冲的周期，保存上一个脉冲的周期值（也可以保留前几个脉冲的平均值，以提高可靠性），为计算非完整脉冲做准备。

  当测速周期到时，读取当前脉冲周期测量“已计量的时间“，除保存的“前一脉冲周期值”，即可得到非完整脉冲值 0. XX ，来提升分辨率。

  舵机驱动最简单，输出周期为20ms的脉冲信号，脉冲宽度从1.5 ~ 2.5ms可调。

  C++模式，以便用类的方式简化后续的编程，增加程序的可维护性、可扩展性。在 RT-Thread Studio 环境下，用C++编程，除了在RT-Thread Setting中选择C++外，如果用多文件编程，需将应用的C程序后缀改为cpp，否则编译出错。

  之前在两轮差分小车驱动上尝试过使用 RT-Thread，这次以那个程序为基础修改。

  ADC1，通道1原来程序是驱动差分小车的，控制两个电机，分别对应左、右两侧。为便于日后将程序扩展应用到多轮驱动小车，将电机变量标识从左右侧改为1、2……。目前只有一个电机，故定义为“1”。

  定时器实现。基于STM32F411CE的芯片引脚分配，考虑到后期在大多数情况下要驱动三轮全向小车，选择Timer2作为舵机驱动用定时器，仍然使用PWM模式。

  之前首次尝试 RT-Thread 是做了一个两轮差分驱动的小车程序，在上面完成了电机驱动、测速、调速，以及一直想实现的PID自整定；控制效果不错，基本达到了预期。

  因为后面还想尝试使用 RT-Thread 驱动3轮全向小车，所以保留了电机驱动用类的方式，同时将舵机驱动也做成类，这样后面做三轮小车就很方便了。

  方向。该车采用的方案是主控是STC89C52RC，首先通过手机app与HC—05模块通信，然后通过lL298N模块

  ，以 keil5为开发环境，利用基于 MT9V03X的总钻风数字摄像头作为传感器

  都是基于轮式的，在某宝上面卖的最多的，各位在学生时代拿来应付课程设计和毕业设计用的各种

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