【ART-Pi作品秀】瞎转悠

作者： 樊晓杰

概述

简单介绍项目应用产生的背景 ，所产生的软硬件方案 及主要实现的功能。

应用产生背景

在和娃玩老鹰转小鸡时候，突然就想做个小车，可以和孩子互动，就想到人挡在小车前面，然后转向，就一直这么循环下去，一个很简单的功能。就是漫无目的 瞎转悠，这就是名字的由来。也是一个提醒，尤其到冬天了还是在疫情期间，没事别瞎转悠，老实在家呆着没事 就玩玩rt-thread，多参加参加电路城的活动。

所采用的硬件方案

硬件方案采用 ： 主控板 ART-Pi + SR04 超声波 测距仪 + 小车套件。

1.ART-Pi 简介

ART-Pi是 RT-Thread 团队经过半年的精心准备，专门为嵌入式软件工程师、开源创客设计的一款极具扩展功能的 DIY 开源硬件。

板载资源:

• - STM32H750XBH6 - On-board ST-LINK/V2.1 - USB OTG with Type-C connector

• - SDIO TF Card slot - SDIO WIFI:AP6212 - HDC UART BuleTooth:AP6212

• - RGB888 FPC connector - 32-Mbytes SDRAM - 16-Mbytes SPI FLASH

• - 8-Mbytes QSPI FLASH - D1(blue) for 3.3 v power-on - Two user LEDs:D2 (blue),D2 (red)

• - Two ST-LINK LEDs: D4(blue),D4 (red) - Two push-buttons (user and reset)

扩展接口:

• - 4路UART(LPUART) - 3路SPI - 2路hardware iic

• - 1路USB-FS - 1路ETH - 1路SAI

• - 1路DCMI - 2路CANFD - 超过5路ADC (支持查分输入ADC)

• - 超过15路PWM(支持高精度定时器HRTIM)

驱动支持:

• - UART - SPI - SDMMC - CAN - QSPI

• - ADC - PWM - DCMI - SAI - LTDC

• - USB - ETH - SDRAM - HRTIM - I2C

2.SR04 超声波测距传感器

超声波测距 我们这里采用很常见的一个模块 SR04 。HC-SR04超声波模块常用于机器人避障、物体测距、液位检测、公共安防、停车场检测等场所。HC-SR04超声波模块主要是由两个通用的压电陶瓷超声传感器，并加外围信号处理电路构成的。

3. 小车套件

小车基础平台采购慧净电子四驱智能小车底盘 及驱动板。

4.电机驱动模块：

每一路需要3个信号控制，一路pwm ，一路正传一路反转。

所采用软件方案

软件方案 基于 RT-Thread IoT RTOS 此方案中使用SR04 超声波测距软件包，RT-Robot 软件包。

开发环境：

使用的是rt-thread 4.0.3 版本软件，使用mdk 结合env 工具 开发。

分别简介如下：

RT-Thread 的架构简介：

近年来，物联网（Internet Of Things，IoT）概念广为普及，物联网市场发展迅猛，嵌入式设备的联网已是大势所趋。终端联网使得软件复杂性大幅增加，传统的 RTOS 内核已经越来越难满足市场的需求，在这种情况下，物联网操作系统（IoT OS）的概念应运而生。物联网操作系统是指以操作系统内核（可以是 RTOS、Linux 等）为基础，包括如文件系统、图形库等较为完整的中间件组件，具备低功耗、安全、通信协议支持和云端连接能力的软件平台，RT-Thread 就是一个 IoT OS。

RT-Robot 是 RT-Thread 的机器人框架，希望能够支持智能小车、机械臂、无人机等各种不同类型的机器人。

当前以智能车为主要目标，希望支持两轮差分驱动、四轮差分驱动、麦克纳姆轮驱动、经典 Ackerman (两轮差分，一方向连杆) 的小车底盘。

当前功能特点：

• 支持两轮差分驱动、四轮差分驱动、麦克纳姆轮驱动的小车底盘

• 支持增量、位置式 PID

• 支持单相、AB 相编码器

• 支持双 PWM、单 PWM 的直流电机驱动，支持驱动舵机

• 支持 PS2 遥控器

• 支持 ANO_TC 匿名科创地面站

SR04 软件包工作流程 ultrasonic sensor v2.0 a.单片机引脚触发Trig测距，给至少 10us 的高电平信号; b.模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； c.有信号返回，通过 IO 输出一高电平，并单片机定时器计算高电平持续的时间; d.超声波从发射到返回的时间． 计算公式：测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

目前 程序使用如下线程：

实现功能

1. 按键按下，小车功能启动;

2. 小车一直测量前方距离，当距离小于30cm 时，左拐，然后前进

3. 然后一直循环上述判断过程

4. 按键再次按下，小车停止。

    

RT-Thread 使用情况概述

应用中RT-Thread 使用情况：

内核部分:

1.使用到四个线程：按键处理线程，超声波测距线程，小车控制线程，led 状态显示线程。

2.线程间通信使用：邮箱在超声波测距线程中将距离数据发送给小车控制线程，

3.线程间同步使用：信号量作为按键 处理线程 和 电机控制线程之间 启动停止的信号 同步。

设备驱动部分：

1.PWM 设备及驱动-------电机驱动部分用到

2.定时器设备及驱动-------超声波测距 部分用到

组件部分：

1.FinSH控制台 ----------------调试用到

软件包部分：

1. SR04 超声波测距 软件包 ，一贯的好用，方便集成；地址如下：

   SR04软件包地址

2. robot RT-Thread 的机器人框架软件包 ，数据结构优美的一个软件包 .地址如下：

   robot 软件包地址

    

硬件框架说明

硬件方案 直接使用 ART-Pi开发板，使用的外设说明如下：

1. 按键用来启动小车，停止小车；

2. 测距模块使用定期器来换算 距离；

3. 直流电机驱动模块使用PWM 驱动；

4. led 显示系统正常运行;

    

   接线说明：这个系统使用到的引脚如下

   超声波
   ​
   TRIG   PB1
   ​
   ECHO  PB2
   ​
   定时器13.
   ​
   PWM:  有网友说用到  time2  --- 2,3  tim5 两个引脚 。
   ​
   PH10  CH1   TIME5      正转 PB12  反转  PG10 
   ​
   PH11 CH2  TIME5        正转 PA15  反转 PH15
   ​
   PH12   CH3  TIME5       正传PH13  反转  反转 PI3
   ​
   PI0       CH4  TIME5       正转 PH7  反转 PH9 
   ​
   led:
   ​
   RED:   PC15
   ​
   BLUE: PI8 
   ​
   按键：
   ​
   PH4  低电平有效。

    

    

软件框架说明

【主要介绍应用所采用的软件方案框图、流程图等】

最终的使用的线程情况如下：

msh />ps
thread   pri  status      sp     stack size max used left tick  error
-------- ---  ------- ---------- ----------  ------  ---------- ---
sr04      16  suspend 0x00000118 0x00000400    27%   0x00000002 000
tshell    20  running 0x00000108 0x00001000    12%   0x00000004 000
keythrea  20  suspend 0x00000080 0x00000200    25%   0x00000005 000
motor_ru  23  suspend 0x00000150 0x00000400    32%   0x00000004 000
tidle0    31  ready   0x00000044 0x00000100    32%   0x0000000a 000
timer      4  suspend 0x00000060 0x00000200    18%   0x00000009 000
main      10  suspend 0x0000008c 0x00000800    16%   0x00000004 000
​
​

软件流程：

1. 上电开机 led 显示系统正常运行；

2. 电机控制线程 接收按键信号 启动信号量 ，启动电机 直行，；

3. sr04 超声波测距模块线程 接收到启动信号后 ，开始测距，并将测量数据发给 通过邮箱 发给 电机控制线程;

4. 电机控制线程通过邮箱 接收到距离数据判断有障碍物，就左转，直行;

5. 电机控制线程接收到按键 停止信号 停止信号量 ，然后停车。

    

软件模块说明

（介绍应用软件关键部分的逻辑、采用的实现方式等)

1.电机控制模块处理

电机控制模块，主要控制电机的直行 转向 ，停止 及对接收到的距离数据的处理，关键代码具体如下：

static void motor_entry(void *parameter)
{
    rt_uint32_t count = 0;
    motor_t letf_moto = RT_NULL;
    motor_t right_moto = RT_NULL;
    //chassis_t chas;
    struct velocity target_vel;
    // 1. Initialize two wheels - left and right
wheel_t* c_wheels = (wheel_t*) rt_malloc(sizeof(wheel_t) * 4);
if (c_wheels == RT_NULL)
{
    LOG_D("Failed to malloc memory for wheels");
}
​
// 1.1 Create two motors
//motor_t left_motor  = motor_create(left_motor_init,  left_motor_enable,  left_motor_disable,  left_motor_set_speed,  DC_MOTOR);
//motor_t right_motor = motor_create(right_motor_init, right_motor_enable, right_motor_disable, right_motor_set_speed, DC_MOTOR);
single_pwm_motor_t left_forward_motor = single_pwm_motor_create(LEFT_FORWARD_PWM,LEFT_FORWARD_PWM_CHANNEL, LEFT_FORWARD_STRAIGHT_PIN, LEFT_FORWARD_BACK_PIN);
single_pwm_motor_t left_backward_motor = single_pwm_motor_create(LEFT_BACKWARD_PWM,LEFT_BACKWARD_PWM_CHANNEL, LEFT_BACKWARD_STRAIGHT_PIN, LEFT_BACKWARD_BACK_PIN);
single_pwm_motor_t right_forward_motor = single_pwm_motor_create(RIGHT_FORWARD_PWM,RIGHT_FORWARD_PWM_CHANNEL, RIGHT_FORWARD_STRAIGHT_PIN, RIGHT_FORWARD_BACK_PIN);
single_pwm_motor_t right_backward_motor = single_pwm_motor_create(RIGHT_BACKWARD_PWM,RIGHT_BACKWARD_PWM_CHANNEL, RIGHT_BACKWARD_STRAIGHT_PIN, RIGHT_BACKWARD_BACK_PIN);
​
​
// 1.2 Create two encoders
//encoder_t left_encoder  = encoder_create(LEFT_ENCODER_PIN, PULSE_PER_REVOL);
//encoder_t right_encoder = encoder_create(RIGHT_ENCODER_PIN, PULSE_PER_REVOL);
single_phase_encoder_t left_forward_encoder = single_phase_encoder_create(LEFT_ENCODER_PIN,PULSE_PER_REVOL,SAMPLE_TIME );
single_phase_encoder_t right_forward_encoder = single_phase_encoder_create(RIGHT_ENCODER_PIN,PULSE_PER_REVOL,SAMPLE_TIME);
​
// 1.3 Create two pid contollers
//pid_control_t left_pid  = pid_create();
//pid_control_t right_pid = pid_create();
inc_pid_controller_t left_pid = inc_pid_controller_create(kp,ki,kd,SAMPLE_TIME);
inc_pid_controller_t right_pid = inc_pid_controller_create(kp, ki,kd,SAMPLE_TIME);
// 1.4 Add two wheels
//wheel_t wheel_create(motor_t w_motor, encoder_t w_encoder, controller_t w_controller, float radius, rt_uint16_t gear_ratio)
​
c_wheels[0] = wheel_create((motor_t)left_forward_motor,  (encoder_t)left_forward_encoder,(controller_t)left_pid,   WHEEL_RADIUS, GEAR_RATIO);//left_pid
c_wheels[2] = wheel_create((motor_t)left_backward_motor, (encoder_t)left_forward_encoder,(controller_t)left_pid,  WHEEL_RADIUS, GEAR_RATIO);//left_pid
c_wheels[1] = wheel_create((motor_t)right_forward_motor, (encoder_t)right_forward_encoder,(controller_t)right_pid, WHEEL_RADIUS, GEAR_RATIO);//left_pid
c_wheels[3] = wheel_create((motor_t)right_backward_motor, (encoder_t)right_forward_encoder,(controller_t)right_pid,  WHEEL_RADIUS, GEAR_RATIO);//left_pid
​
​
// 2. Iinialize Kinematics - Two Wheel Differential Drive
kinematics_t c_kinematics = kinematics_create(FOUR_WD, WHEEL_DIST_X, WHEEL_DIST_Y, WHEEL_RADIUS);
​
// 3. Initialize Chassis
chas = chassis_create(c_wheels, c_kinematics);
​
// 4. Enable Chassis
//chassis_enable(chas);
​
// Set Sample time
encoder_set_sample_time(chas->c_wheels[0]->w_encoder, SAMPLE_TIME);
encoder_set_sample_time(chas->c_wheels[1]->w_encoder, SAMPLE_TIME);
encoder_set_sample_time(chas->c_wheels[2]->w_encoder, SAMPLE_TIME);
encoder_set_sample_time(chas->c_wheels[3]->w_encoder, SAMPLE_TIME);
//pid_set_sample_time(chas->c_wheels[0]->w_pid, PID_SAMPLE_TIME);
//pid_set_sample_time(chas->c_wheels[1]->w_pid, PID_SAMPLE_TIME);
​
// 4. Enable Chassis
chassis_enable(chas);
// Turn left
        **struct rt_sensor_data *sensor_data;//关键地方**
        while(1)
        {
     //chassis_update(chas);
              /* 永久方式等待信号量，获取到信号量，则执行number自加的操作 */
        result = rt_sem_take(start_sem, RT_WAITING_FOREVER);
        if (result != RT_EOK)
        {
            rt_kprintf("thread2 take a start semaphore, failed.\n");
            rt_sem_delete(start_sem);
            return;
        }
        else
        {
            number++;
            rt_kprintf("thread2 take a start semaphore. number = %d\n", number);
                     while(1)
                     {                      
                                run();//直行 
                                /* 从邮箱中收取邮件 */
                                if (rt_mb_recv(&mb, (rt_uint32_t *)&sensor_data, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)
                                {
                                    //  rt_kprintf("thread1: get a mail from mailbox, the content:%s\n", );
                                    
                                    if (sensor_data.data.proximity/10 < 30)
                                    {
                                    rt_kprintf("distance:%3d.%dcm, timestamp:%5d turn left \n", sensor_data.data.proximity / 10, sensor_data.data.proximity % 10, sensor_data.timestamp);
                                        left();
                                    }
                                            /* 延时100ms */
                                        rt_thread_mdelay(100);
                                }
                                  result = rt_sem_take(stop_sem, RT_WAITING_NO);
                                    if (result == RT_EOK)
                                    {
                                            //rt_kprintf("thread2 take a start semaphore, failed.\n");
                                            //rt_sem_delete(stop_sem);
                                            stop();
                                            break;
                                    }
                                                    
                        
                     }
        }
                    rt_thread_mdelay(1500);
​
        }
​
}

调试说明：

①主要看pwm 是否可以正常输出波形。

可以通过命令：来测试。遇到过 有下面波形，但和电机程序结合起来的话，没有输出波形。

msh />pwm_set pwm5 2 1000 500
msh />pwm_e
pwm_enable
msh />pwm_enable pwm5 2
msh />pwm_disable pwm5 2

② 有个电机控制引脚，PA15,初始就是高电平，导致一上电就转，换一个其他引脚。

③先把几个引脚都先调通，对应起来，可以通过直接将引脚接高电平的方式，来测试，因为线不一定接的对。可以先根据引脚的分布，初步先列出来控制引脚序号。然后再通过调试，进行调整。

④ 通过第一步调试，证明pwm 驱动没有问题，但任然出现过 robot 程序 没有输出pwm 波形，原因分析如下：

通过单步调试，发现最终只是设置了速度，并没有最后的运行。也就是这句 chassis_update(chas);

⑤ 有波形 但占空比很低的话，电机也跑不起来，可以在

  rt_pwm_set(mot_sub->pwm_dev, mot_sub->channel, MOTOR_PWM_PERIOD, pluse + 28000 );//50 000 在一半的  基础上增加。 

⑥ 调试其他几个方向，比如不动的话，可以实时调整参数。比如下面几个:

void stop(void)
{
    struct velocity target_vel;
    target_vel.linear_x = 0.0;   // m/s
  target_vel.linear_y = 0;    // m/s
  target_vel.angular_z = 0; // rad/s

  chassis_set_velocity(chas, target_vel);
    chassis_update(chas);
   rt_thread_mdelay(500);
}

MSH_CMD_EXPORT(stop, moto stop);
void left(void)
{
        struct velocity target_vel;
            // Turn left
        target_vel.linear_x = 0.8;//0.06;   // m/s
        target_vel.linear_y = 0;    // m/s
        target_vel.angular_z = PI / 4; // rad/s

        chassis_set_velocity(chas, target_vel);
     chassis_update(chas);
        rt_thread_mdelay(800);
                stop();
}
MSH_CMD_EXPORT(left, moto left);
void right(void)
{
        struct velocity target_vel;
        // Turn right
        target_vel.linear_x = 0.8;//0.06;   // m/s
        target_vel.linear_y = 0;    // m/s
        target_vel.angular_z = - PI / 4; // rad/s

        chassis_set_velocity(chas, target_vel);
     chassis_update(chas);
        rt_thread_mdelay(400);
            stop();
}
MSH_CMD_EXPORT(right, moto right);

void run(void)
{
    
rt_kprintf("run\r\n");
struct velocity target_vel;
// Go straight
target_vel.linear_x = 1.0;//0.08;   // m/s
target_vel.linear_y = 0;    // m/s
target_vel.angular_z = 0;

 chassis_set_velocity(chas, target_vel);
 chassis_update(chas);
 rt_thread_mdelay(500);
 
}
MSH_CMD_EXPORT(run, moto straight);
void back(void)
{
struct velocity target_vel;
// Go straight
target_vel.linear_x = -1.0;//-0.08;   // m/s
target_vel.linear_y = 0;    // m/s
target_vel.angular_z = 0;

 chassis_set_velocity(chas, target_vel);
    chassis_update(chas);
  rt_thread_mdelay(500);
}
MSH_CMD_EXPORT(back, moto back);

2.按键处理模块

按键处理模块，主要 是 发送开始 和停止信号。

关键代码：

#define USER_KEY_1    GET_PIN(H,4)
static rt_uint8_t flag_start = 0;
/* 指向信号量的指针 */
rt_sem_t start_sem = RT_NULL;
rt_sem_t stop_sem = RT_NULL;
​
void process_key(void *args)
{
        rt_thread_mdelay(50);
        if (rt_pin_read(USER_KEY_1) == 0)
      { 
                if (flag_start == 0)
                {
                    flag_start = 1;
                    rt_sem_release(start_sem);
                }
                else
                {
                    flag_start = 0;
                    rt_sem_release(stop_sem);
                }
        }
}
static void key_entry(void *parameter)
{
        rt_pin_mode(USER_KEY_1, PIN_MODE_INPUT_PULLUP);
        rt_pin_attach_irq(USER_KEY_1, PIN_IRQ_MODE_FALLING, process_key, RT_NULL);
        
        while(1)
        {
            rt_thread_mdelay(1000);
        }
      
    
}

3. SR04 超声波测距模块

超声波测距模块，完成距离测量，并将数据通过邮箱发给电机控制模块。关键代码分析：

为什么这里选择邮箱作为两个线程间通信的方式？

（1）邮箱的开销比较低，效率高；

（2）非阻塞方式的邮件发送过程能够安全地应用于中断服务中，是线程，中断服务，定期器想线程发送消息的有效手段。

如何用邮箱来发送一个传感器接收的数据？

（1)

为什么这里选择邮箱作为两个线程间通信的方式？

（1）邮箱的开销比较低，效率高；

（2）非阻塞方式的邮件发送过程能够安全地应用于中断服务中，是线程，中断服务，定期器想线程发送消息的有效手段。

如何用邮箱来发送一个传感器接收的数据？

（1) 就是如何发送这个数据结构的地址，然后接收线程可以解析这个数据接收，也就是通过邮箱发送指定数据结构的数据。直接取这个数据结构的地址，接收线程，定义一个 对应数据结构的指针，然后取 & 这个地址，取出数据，就可以。这是取到正确数据最关键的地方。

struct rt_sensor_data
{
    rt_uint32_t         timestamp;          /* The timestamp when the data was received */
    rt_uint8_t          type;               /* The sensor type of the data */
    union
    {
        struct sensor_3_axis acce;          /* Accelerometer.       unit: mG          */
        struct sensor_3_axis gyro;          /* Gyroscope.           unit: mdps        */
        struct sensor_3_axis mag;           /* Magnetometer.        unit: mGauss      */
        rt_int32_t           temp;          /* Temperature.         unit: dCelsius    */
        rt_int32_t           humi;          /* Relative humidity.   unit: permillage  */
        rt_int32_t           baro;          /* Pressure.            unit: pascal (Pa) */
        rt_int32_t           light;         /* Light.               unit: lux         */
        rt_int32_t           proximity;     /* Distance.            unit: centimeters */
        rt_int32_t           hr;            /* Heart rate.          unit: bpm         */
        rt_int32_t           tvoc;          /* TVOC.                unit: permillage  */
        rt_int32_t           noise;         /* Noise Loudness.      unit: HZ          */
        rt_uint32_t          step;          /* Step sensor.         unit: 1           */
        rt_int32_t           force;         /* Force sensor.        unit: mN          */
        rt_uint32_t          dust;          /* Dust sensor.         unit: ug/m3       */
        rt_uint32_t          eco2;          /* eCO2 sensor.         unit: ppm         */
    } data;
};

 struct rt_sensor_data sensor_data;
 static void sr04_read_distance_entry(void *parameter)
{
    rt_device_t dev = RT_NULL;
    
    rt_size_t res;
​
    dev = rt_device_find(parameter);
    if (dev == RT_NULL) {
        rt_kprintf("Can't find device:%s\n", parameter);
        return;
    }
​
    if (rt_device_open(dev, RT_DEVICE_FLAG_RDWR) != RT_EOK) {
        rt_kprintf("open device failed!\n");
        return;
    }
    rt_device_control(dev, RT_SENSOR_CTRL_SET_ODR, (void *)100);
​
    while (1) {
        res = rt_device_read(dev, 0, &sensor_data, 1);
        if (res != 1) {
            rt_kprintf("read data failed!size is %d\n", res);
            rt_device_close(dev);
            return;
        }
        else {
            rt_mb_send(&mb, (rt_uint32_t)&sensor_data);//发送 数据
            rt_kprintf("distance:%3d.%dcm, timestamp:%5d\n", sensor_data.data.proximity / 10, sensor_data.data.proximity % 10, sensor_data.timestamp);
        }
        rt_thread_mdelay(2000);
    }
}

4. LED显示模块

主要就是系统正常运行指示。

关键代码如下：

#define LED_PIN GET_PIN(I, 8)
int main(void)
{
    rt_uint32_t count = 1;
​
    rt_pin_mode(LED_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    
      
    while(count++)
    {
        rt_thread_mdelay(500);
        rt_pin_write(LED_PIN, PIN_HIGH);
        rt_thread_mdelay(500);
        rt_pin_write(LED_PIN, PIN_LOW);
    }
    return RT_EOK;
}
​

演示效果

视频播放地址：目前只有超声波测距部分视频，后续会在这个地址添加完整版。

（1）小车

  (2) 超声波测距

瞎转悠 

电机控制演示

完整视频

第一次下地视频

比赛感悟

虽然实现的功能很简单，但是完全利用时间搞要搞成功，还是挺不容易的，还是整体的时间安排不好。主要收获是对rt-thread 的线程间的同步和通信增强了认识和体验，实践出真知，多多参与这样的活动。给主办方点个赞。

主要克服的难点:

(1)是之前pwm 驱动一直卡着，没有进展，最后在网友的支援下顺利解决,主要是初始化时候，没有使能相应的时钟，陷在完全按照之前添加bsp 的方式搞，没明白这其中的细节，感谢网友支持；

（2）还有就是邮箱发送 结构体数据的正确的接收和发送处理。

主要收获：

(1)第一次使用H7 高性能MCU, 很多处理方式跟之前不一样，比如烧录方式，也折腾了好几天，这个过程中，收获不少

(2) 这个art pi 开发板 很不错的学习平台，也开源了挺多好的扩展板项目，后续希望可以搞一个专门的小车方面的扩展板，应该挺不错的，很好玩。