泰山派ROS小车

TspRosCar：TaishanPi Ros Car

本项目是基于泰山派开发板制作的ROS小车，具有扫描建图、自动导航、物体跟随等功能。

功能演示视频：TspRosCar功能演示

软件资料链接：TspRosCar

硬件资料链接：泰山派ROS小车

1. 项目说明

1.1 Hardware

Hardware文件夹内此项目用到的电路的原理图和PCB文件，使用立创EDA专业版进行设计。

主要包含两块板子：

• 下位机PCB：提供小车底盘控制电路；并为小车底盘提供支撑；
• 上位机PCB：引出泰山派控制接口；并为激光雷达提供支撑；

1.2 Firmware

Firmware中提供了上面两块板子的固件源码，以及QT上位机工程源码，主要包含以下三个工程：

• RosCarBase：小车底盘。使用STM32单片机作为主控、两个N20编码电机作为驱动，完成底盘的速度功能功能；小车底盘对外通过串口进行通信；
• RosCarWs：ROS应用。泰山派作为小车的核心控制单元，通过串口3获取雷达数据、串口5与底盘进行数据交互。泰山派Ubuntu20系统运行ROS程序，计算小车需要的运行速度后下发小车进行控制；
• RosCarApp：上位机UI。在UI界面中，通过WebSocket与泰山派中的ROS应用进行通信，实现小车的状态显示、模式控制、地图管理等功能。
• TaishanPi：添加串口5后的内核。

1.3 Software

编译好的上位机应用。

1.4 Model

文件夹里是项目中用到的所有结构件的3D模型文件，可以用于3D打印。

1.5 Docs

相关的参考文件，包括雷达手册、芯片手册等。

2. 硬件设计

电路主要包含两部分设计，设计为两块PCB：

• 下位机：底盘控制电路
• 上位机：泰山派接口扩展

2.1 底盘控制电路

底盘控制电路主要包含以下部分：电源电路、充电电路、电机驱动部分、串口通信、状态灯显示。

充电电路：使用TypeC作为电源输入接口，使用CS5090EA或SCS5090EA作为2串锂电池充电管理芯片，将5V电压升高到8.4V进行充电。

电源电路：使用ME3118电源芯片将锂电池电压降低到5V给电机和泰山派进行供电,最大可提供3A驱动电流，满足本项目需求；使用经典ME6211C33M5G将5V电源降低到3.3V给STM32单片机进行供电，最大0.5A电流足以满足STM32要求。

电机驱动电路：使用经典TB6612FNG对两个编码器电机进行驱动，配合PID可完成速度控制和反馈，给上位机提供里程计计算能力。

其他电路：提供程序下载口、通信接口（上位机通信）、外部供电（备用）、状态指示灯（充电状态和通信状态指示）；

2.2 上位机接口扩展

上位机接口扩展较为简单，主要引出串口、提供风机和雷达控制电路。通过IO高低电平控制雷达和风机的供电。

3. 结构设计

结构设计效果如下图所示。

3.1 物料准备

物料	厂家	价格
泰山派套装	立创商城	188
M1C1_Mini雷达	动力工具DIY小站	43.8
OV9732摄像头	仁恒光电摄像头厂家	47.66
N20编码器电机(6v、300RPM)、万向轮	必晖数码经营部	43
散热风扇(202006MM 5v 2线 A型插头侧吹风)	JSDYFAN旗舰店	8.7
18650平头3500mAh电池 * 2	NUOXIANGNX旗舰	26.7
PCB_BOM	立创商城/优信电子	30
M3单头铜柱20mm * 4、 M3单头铜柱12mm * 2、 M3单头铜柱8mm * 6、 M3螺丝螺母 * 5、 M2自攻螺丝6mm * 2（固定摄像头）、 M1.4螺丝12mm和螺母 * 2(固定风扇)	-	10
外壳	嘉立创纸盒裁剪 / 嘉立创3D打印	0/20
共计	-	400-500

PS：为了减少打印件的硬件成本，此处设计大多采用铜柱支撑，外壳主要起到对摄像头的支撑作用和美观作用。

3.2 安装步骤

1. 底盘组装

准备如下材料，焊接完成的底板、两个万向轮、两个N20电机及端子线（固定的螺丝是买轮子送的）。注意：这里电机上的接线端子，原有的是卧贴的，需要用烙铁拆掉改成和底板上的一样的立贴的 。

将万向轮和电机固定到底板，固定完成后如下图所示。

2. 上位机组装

准备如下材料，泰山派开发板、焊接完成的底板、雷达、M3单头铜柱12mm * 2、M3单头铜柱20mm * 4、M3单头铜柱8mm * 6、M3螺母7个。

将铜柱和螺丝按照下图中固定，

1. 泰山派四个螺丝孔下方使用4个20mm铜柱，上方使用两个M3螺丝和两个12mm铜柱固定；
2. 风扇使用两个M1.4长12mm的螺丝和螺母固定在上位机板子上；
3. 雷达三个螺丝孔上下分别固定3个8mm铜柱。

按照泰山派在下、上位机板在中间、雷达在上的顺序组装，组装完成后如下图所示。

3. 外壳组装

准备如下材料，刚刚组装好的底板和上位机板、3D打印外壳、摄像头、M2自攻螺丝6mm * 2、自制USB转SH1.0_5p线大约20cm(使用USB焊接壳子和SH1.0单头线制作 ，买摄像头也会送一根但是很长需要自己剪短点)、M3螺丝 * 4、M3沉头螺丝 * 3。

连接底板和上位机板

1. 使用GH1.25_4P线连接底板和上位机板，将泰山派天线插上，塞到雷达和上位机板子之间；
2. 使用四个M3螺丝，从底板底部连接上位机板下方的铜柱，将上位机板和底板固定；
3. 将USB摄像头使用M2自攻螺丝固定到外壳上，并将USB插头连接泰山派USB口。

将外壳装上，并使用3个M3沉头螺丝固定外壳到雷达的铜柱上即可组装完成，如下图所示。

另：
初代机用嘉立创的纸壳子做的外壳，这是他的来时路。

4. 软件设计

4.1 软件架构

软件主要功能的核心架构如下图所示，从上到下分别为QT上位机、ROS程序、底盘下位机程序。软件可能维护更改，以实际代码为准。

1. 导航、建图等核心功能主要使用了movebase、gmapping等开源软件包，主要需要自己配置参数；
2. 底盘控制、电量显示、摄像头和雷达数据自己实现后对接软件包。
3. QT上位机根据需求功能调用不同的接口即可。

所有功能对应UI显示的各个部分：

1. 状态显示：通过上位机UI进行交互，实时显示小车当前获取到的地图、小车位置、摄像头画面、电池电压等信息；
2. 模式控制：UI中可选目标跟随控制、自动导航控制、手动遥控控制模式；
3. 地图管理：UI包含地图管理功能，如创建、删除、使用、保存、获取地图列表等功能；
4. 功耗管理：摄像头、雷达设备可单独控制开关，降低不使用时的功耗。

4.2 软件部署

4.2.1 TaishanPi

1. 官方资料中下载Ubuntu20系统镜像ubuntu20.04_hdmi_20231130_update.img，按照官方教程烧录；
2. 下载资料中提供的boot.img文件，使能串口5；
3. 分配空闲空间；
4. 安装SSH、ROS；
5. 添加串口权限、IO权限、摄像头权限；

> 系统设置教程参考 Docs/泰山派系统设置.pdf

4.2.2 RosCarBase

使用Keil打开，编译后烧录到底盘STM32中；

4.2.3 RosCarWs

1. 程序中依赖多个软件包，分别安装即可（首次使用安装）

   1. 建图：sudo apt install ros-noetic-gmapping
   2. 自动探索建图：sudo apt install ros-noetic-explore-lite
   3. websocket通信：sudo apt install ros-noetic-rosbridge-suite
   4. 地图加载和保存：sudo apt install ros-noetic-map-server
      1. 若安装报错先安装依赖，第一个推荐方案拒绝，使用第二个推荐方案：sudo aptitude install libsdl1.2-dev libsdl-image1.2-dev
   5. 导航：sudo apt-get install ros-noetic-navigation
   6. teb规划器：sudo apt install ros-noetic-teb-local-planner
   7. 其他：按照上述顺序进行安装，若安装报错自行搜索

2. 将Firmware中的RosCarWs文件夹复制到泰山派中；

   # 源码放到开发板
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~$ ls
   Desktop  Documents  Downloads  Music  Pictures  Public  RosCarWs  Templates  Videos
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~$ cd RosCarWs/
   # 编译
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~/RosCarWs$ catkin_make
   # 添加源
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~/RosCarWs$ source devel/setup.bash
   

3. 运行程序前首先执行一下IO权限设置的脚本，否则无法正常打开雷达和风扇

   # 添加IO权限
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~/RosCarWs$ chmod 777 src/launch_pkg/launch/setup_gpio_permissions.sh
   lckfb@MiWiFi-R3GV2-srv:~/RosCarWs$ sudo ./src/launch_pkg/launch/setup_gpio_permissions.sh
   尝试导出 GPIO 36...
   GPIO 36 已导出并设置权限。
   尝试导出 GPIO 98...
   GPIO 98 已导出并设置权限。
   完成！现在普通用户可以操作 GPIO 36 和 98。
   
   # 如果报错
   使用vi打开，然后以下设置保存 因为这个文件可能在windows上打开过
   :set ff=unix
   

4. 运行命令如下roslaunch launch_pkg all.launch，然后就可以在上位机中进行连接了

4.2.4 RosCarApp

使用QT打开并运行，也可以直接运行打包好的上位机。

> 泰山派和运行上位机的电脑需要在一个网络下运行。

4.3 参数描述

小车一般无需具体的代码修改。

主要硬件相关参数修改如下，位于launch_pkg中的launch文件

目标跟随主要参数修改如下，位于camera_pkg中的launch文件

其他参数一般无需修改。

参考资料

感谢各位开源资料贡献者对此项目的帮助，项目开发过程中主要用到的参考资料如下：

泰山派官方资料：https://wiki.lckfb.com/zh-hans/tspi-rk3566/

ROS环境搭建：https://fishros.com/

ROS学习教程：https://www.bilibili.com/video/BV1BP4y1o7pw

雷达模型参考：https://makerworld.com.cn/zh/models/1664914-x2ji-guang-lei-da-biao-zhun-stepwen-jian-yi-ji-3dd#profileId-1827959

小车结构参考：https://oshwhub.com/lw95/newbot

Linux/安卓系统编译知识：公众号【A-花开堪折】