15天做一个智能垃圾桶

easyright77

前言:
报名参加《Mouser智能硬件创新设计大赛》后，拖延症(Procrastination)的老毛病又犯了，经群主提醒，发现离提交时期只差15天了。为了防止拖延症再次发作，现将项目过程贴出来，供广大网友监督。


我参赛的项目叫做《智能垃圾桶》，主要打算实现4个功能：
1. 两轮自平衡。如果做成四轮的，就不用这个功能了；
2. 房间内自动巡航。垃圾桶以后可以客串一下扫地机器人；
3. 手势召唤。办公室的小伙伴就可以多人共用一个垃圾桶了；
4. 自适应定位接垃圾。喜欢远程抛垃圾的小伙伴就不用担心失手了。

注：由于我手头有2、3个正式的项目，每天时间有限，2月初还有可能会出游/出差几天，这个项目失败的风险还是挺大的。

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easyright77

Day 1: 准备材料

逛了一天的农贸市场，然后翻箱倒柜找出以前的存货，终于凑齐了所有材料。见下图，从大到小分别是：
1. 雕刻机：本来打算给垃圾桶做个木头底座的，让它看起来高大上一点，现在时间不够了，这步就免了。下面垫了块海绵，以免楼下投诉噪音；
2. 垃圾桶：中国名牌，质地结实而且重量轻；
3. 轮子和支架：某宝上买的，轮子直径65mm，本来想买大一点的窄一点的，万能的某宝上竟然没有；
4. 42步进电机：也是某宝上买的，没牌子和型号，所有参数都不知道；
5. Beaglebone：白色版，刚出的时候就买了，在那块绿色板子的下面；
6. Beaglebone Cape：绿色那块板子就是，自己做的，主要有三个模块：
    a) LV8731: 两个，步进电机驱动芯片；
    b) MPU-9150: 9轴(Gyro + Accelerometer + Compass) MEMS MotionTracking芯片，尝下新，比6轴的MPU-6050贵好多；
    c) 距离传感器：四个，Sharp的GP2Y0A21YK0F，探测距离10cm ~ 80cm。
7. 电池：只知道是12V，其他参数都没有，不用说，也是某宝上买的；
8. Kinect：正连着Xbox360，懒得拆下来，就没有照上去了；
9. 摄像头：原来打算用摄像头做手势识别的，现在时间不够了，就打算直接用Kinect + OpenNI了。


材料准备好了，接下来就是组装。由于我动手能力超弱，如果24个小时后还没有组装好的照片发上来，就说明项目夭折了，让这个帖子沉了吧。



2015-01-25 5:29am更新：

折腾了一个通宵，搞出来这样一个东西，简直是山寨得五体投地。看来要搞出高大上的效果，还是要按原来的计划，用雕刻机或者3D打印机。另外电池和无线网卡还没装上，拖延症再度发作，等需要用时再装上它们吧。



明天上电测试，希望Beaglebone还没有坏，有点忐忑。

easyright77

Day 2: 实现自平衡下两层抽象

虽然时间紧迫，正式动手之前还是需要整体规划一下，保证代码结构清晰并易于扩展。

按照抽象化和模块化思想，把系统分为三个抽象层，每个抽象层又包括几个模块（这里每个模块基本对应一个C语言源程序）。从下向上的三个抽象层分别是：

1. 驱动调用层：调用Beaglebone的驱动。
(1) GPIO: 读写GPIO信号；
(2) I2C: 通过I2C总线读写指定的bits或bytes；
(3) PWM：设置PWM信号的周期、极性等参数。

2. 芯片控制层：利用Beaglebone的驱动，来控制Beaglebone Cape上的芯片。
(1) MPU-9150：调用I2C模块，读取传感器的Yaw, Pitch, Roll角度；
(2) Motor：调用GPIO和PWM模块，控制两个步进电机的转速和方向。

3. 算法应用层：应用算法，实现自平衡以及前进、后退、转弯等操作。
(1) PID算法：根据MPU-9150的角度，控制两个步进电机的转速和方向，实现自平衡；
(2) 运动控制：在保持平衡的基础上，实现前进、后退、转弯、停止等操作。


附录：源程序列表
2015/01/25  22:31             5,429 gpio.c
2015/01/25  22:04             2,735 gpio.h
2015/01/25  23:01             7,059 i2c.c
2015/01/25  23:01             3,445 i2c.h
2015/01/26  02:25             5,170 main.c
2015/01/26  02:21             3,740 motor.c
2015/01/26  02:20             2,017 motor.h
2015/01/26  00:53            14,671 mpu9150.c
2015/01/26  00:24            16,331 mpu9150.h
2015/01/25  23:07             3,272 pwm.c
2015/01/25  23:07             1,844 pwm.h

小七

楼主啥时候做好

fufang01

可以定制一个么

qianshuiyanb

坐等更新噻

小七

楼主还没有来更新？

easyright77

Day 3: 实现自平衡之PID

被牙痛醒了，等下一定要去看牙医了，看来我的拖延症又严重了，连牙痛也要痛得受不了才去看。要把标题中的“15天”改成“15个工作日”才行了，除非老板能让我因为牙痛请假15天，要不然就只有周末才有时间了。

自平衡车的原理和倒立摆（可以查维基百科的Inverted Pendulum[1]）很类似，通常用PID算法实现。PID算法实现起来简单，大概30行代码就够了，但它包含的数学原理却很复杂，30个公式可能也不止。这也是为什么写PID程序容易，调整PID参数却很困难。这里我再偷懒一下，直接用了<<Improving the Beginner’s PID>>[2]文章中的一段代码实现PID，代码如下：



以上代码简单易懂，但要确定Kp, Ki, Kd的值却非常困难。智能垃圾桶的外表已经非常山寨了，不能再让它的内里也山寨了，所以我决定接下来不再偷懒了，不用手工的方法确定PID参数，而用某某某某某某软件建立一个动态模型来确定PID参数，而且这个模型在后面的室内自动巡航算法中也可以用到，一举两得。

待续……如果24小时内没更新的话，就可能要等24x7小时后才能更新了。

参考资料
[1] Inverted pendulum, http://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_pendulum
[2] <<Improving the Beginner’s PID>>, 2011. http://brettbeauregard.com/blog/2011/04/improving-the-beginners-pid-introduction/

semon12345

好厉害的工程师！膜拜】

易炳长

很不错啊，值得学习