220g格斗机器人建造日志(1) —— 结构和硬件设计

“——不就是一台遥控车吗”，查拉图斯特拉如是说。

某创，某秋，某配，每个月这么多板子不嫖一点总觉得自己亏了，于是乎歪脑筋一动想到用pcb来做结构件，传统艺能了属于是。pcb加工精度高，强度好，还能通过焊接来加固，电控系统也能直接做到上面而节约空间，看上去百利而无一害。至少一开始我真是这么认为的。

的确，这玩意硬件上基本没啥值得注意的点。一个单片机系统，4路有刷的H桥驱动对应4个自由度，电源模块，陀螺仪，基本上就是全部了，还不如之前做过的遥控器和四旋翼复杂。

唯一的难点在于车车的内部空间有限，并且还要考虑电机，电池，外壳等结构占据的空间，并考虑各部件连接走线的问题，因此虽然板子面积不小，但布局上的限制极大。万一弄得不好，一颗螺丝都能不小心干涉或者短路，那就亏大发了。

因此设计结构的时候一直都是ad和sw一起开，总体上先设计好结构，敲定板子具体形状和装配孔位置之后再到ad里面去画。把装配结构需要的空间预留出来，元件需要避开那些位置。不过还有比较重要的两点，一个考虑高度的限制，一个考虑元件焊接。当时画的时候电源接口用的是kf2.54的接口竖过来，结果忘记高度限制了差点装不上去。

底盘

结构

车车还是沿用了传统，分为底盘和上层两个部分设计。底盘主要包括pcb底板，行驶部分4个电机，1个云台电机，各种接口，电源和陀螺仪，轴承支架。

云台轴承是整个车和核心。要有足够的尺寸撑起整辆车。如果用普通金属齿轮的话重量就远远超了，为了减轻重量，翻遍了某宝找到pom薄壁轴承，重量25g，买来试了一下强度可以，整车大定。

也考虑过不用大轴承直接用舵机直连上层的设计。但算算总觉得这样一个重量会超，再一个电路的设计也会有麻烦，走线不好走，更重要的是旋转角度被限制死了，没办法转超过360°。遂作罢，还是采用的普通电机+内啮合齿圈，虽然这样会在传动的时候浪费电机速度，不过算了一下大概5：1的减速比，也还能接受。

云台电机使用输出轴反向的n20电机。想买1000rpm的，结果店家告诉我没货了只有500rpm。当时一算感觉这样的速度也不是不行，但是做出来之后才发现，云台转的太慢了，100多rpm看着还行，但是实际上根本没办法跟随遥控器的旋钮，更别提之后还想让他跟随车身角度了。这个云台电机还是弄快一点的。

行驶系统用的是n20电机和自带的电机支架。直接装到pcb上。后来被人说这样连接不可靠。本来是想着在pcb上预留焊盘，可以直接把黄铜减速器焊到底座上的，结果做的时候搞忘了。真是。

 轴承架考虑到连接上层，需要结实一点，因此使用abs打印，云台传动齿轮就用的普通pla。轴承架打出来，里面直角的部分实际上还残留着不少支撑没办法去掉，结果就是根本没办法配合到轴承上，用锉刀打磨了好久才塞进去。

电路系统

底盘结构其实没啥，主要是电路部分。这里有个大坑。

使用pcb底板的本意是为了方便装配，因为可以直接把螺母以及其他结构焊在上面，方便从不同的方向装螺丝。不过这个设定在后来的设计中逐渐去掉了，因为实在用不到。但是pcb底板保留下来了。为了节约内部空间以及炫技，采用了pcb底板之后理所当然的想着把电路直接做在底板上。后来画着画着发现不行，放不下。于是又想到了叠板设计，把主控等一部分电路独立出来放到一块小板子上，用排针和底板连接，剩下的电路放在底板上。后来才发现不仅没起到希望的作用，反而pcb底板吃了很多重量。灾难就这么开始了。。。。。。

底板

底板上就一个LDO电源，主控板的接口，电机接口，6050。很简单的组合，布局上也没啥难度，主要是几个关键器件的位置配合。设计的时候还考虑了用毫米波雷达做自动索敌和规避，后来发现其实很难发挥用处。车内部根本没有足够空间走线，接口还浪费面积。

费老大力气把板子焊好装上，坑爹的事来了，机器人的车身角度闭环调了几个礼拜根本没办法收敛。排除了遥控器的bug之后，开始找pid算法和陀螺仪的问题。

陀螺仪起先都是在车身静止的时候观察的数据，一开始确实没发现问题，用6050自带的dmp解算库返回的欧拉角基本稳定在±1~2°之内，基本满足要求。然后开始找pid的问题。因为希望让车可以两头开，自动根据输入的角度和车身目前的夹角寻找最合适的旋转角度，自动判断是应该逆时针转某角度还是顺时针转过其补角，在角度环运算之前有一个数据的预处理。这预处理老费劲了，花了一周弄好，分了几种情况讨论，这个是纯软件问题，哪怕360°枚举，总能解决的。

PID调参调了俩礼拜，还拿出了之前写的通用pid算法库，换成专家pid，也没啥用。好像就是车突然就开始发疯，约转越离谱，用手强行把车停下来之后，车身的角度跟原始值比起来已经有了肉眼可见偏差。其实到这里基本上可以确定是陀螺仪数据的问题了。

后来把车架空，在车身不动的情况下让车轮空转，再观察陀螺仪角度。好家伙直接给我短短几十秒钟就产生了接近10°的偏差。行驶电机停下之后偏差速度减缓。

 这还得了。猜想是电机旋转产生的某种神秘力量影响了陀螺仪的数据。去网上问了一通大部分人都说是电机振动引起的。虽然寻思着电机无规律振动没道理让陀螺仪数据偏离中心值，但还是做了个实验，把电机从板子上拆下来放旁边，用长线连到板子上，消除振动影响。这次点击不管怎么转陀螺仪数据都很稳定了。把电机摁回板子上，发现陀螺仪又开始飘了。好家伙困扰了几个礼拜的bug告破。电机直接硬连接在装有陀螺仪的pcb底板上，6050运动学解算出的欧拉角来自于四元数，四元数来自于DMP对三轴加速度计和三轴陀螺仪的ADC数据进行融合计算。当电机开始旋转，其产生的振动会直接传导到陀螺仪，影响到的应该是加速度计的数据。因此，其输出的欧拉角就有了较大的偏移。

上层

底盘最主要就是陀螺仪的问题，结构算比较稳固。上层问题也不小，主要是铲子太小了，没办法很好的控制。

abs 100%填充打印，非常结实，但是小了点。正面2cm，侧面长的那一边才3cm。之所以画这么小是想兼容上面的锤子，实现一个武器臂复用。然而做出来才发现，这样的铲子根本没办法有效控制，掀不翻人。只有正面+侧面完全把对面铲起之后才能有效掀翻。

同时，75%填充的举升臂已经很敦实了，用手根本掰不动，下一版的时候可以考虑减重。

 总之就是，到处都有问题。等下一版改版。rmb--。