文章目錄
- 前言
- 一、實驗準備
- 二、具體實施
- 1.Ubuntu ROS和Matlab通信
- 2.控制演算法部署樹莓派
- 3.Simulink車輛模型環境
- 總結
前言
在上篇教程中，基于運動學模型和dlqr離散時間線性二次型調節器原理搭建了軌跡跟蹤的demo，恰好家里有一塊樹莓派，于是我突發奇想，把控制演算法刷寫進樹莓派中，然后通過和Matlab/simulink的通信，Simulink中跑車輛模型，這樣一個簡單的驗證平臺就可以搭建起來啦，前提是這樣的平臺是完全不具備產品化的試驗價值，該上Labcar或者Simulator的就上，由于個人買不起“大冰箱”，就自己搭建個簡易的玩一玩，因此本次教程適合個人業余玩家，職業玩家謝絕參賽，本次教程只談程序，細節問題不會描述的十分詳細，有問題可以在下方評論區討論，
一、實驗準備
1.安裝Ubuntu和Ros的樹莓派開發板一塊；
2.安裝Matlab/Simulink的電腦一臺；
3.網線，u盤等其他外設，
我對這類控制器在環仿真平臺的搭建有兩種理解，一種是帶ROS的，一種是不帶ROS的，我分別用兩種架構圖描述一下，
上圖也是本次實驗需要用到的，核心就是ROS架構，Matlab和樹莓派都運行ROS，Matlab跑win，樹莓派跑ubuntu，兩個硬體用網線連接，需要您按照Matlab ROS工具箱，
上圖是第二種我也會用到的一種架構，對于普通單片機跑C代碼，通過USBCAN(Simulink僅支持以下四家的CAN設備：Kvaser;Peak;Vector;NI)接入電腦，使用Simulink車輛通訊工具箱完成CAN或者CANFD通訊，如果你使用Instrument Toolbox也可以使用RS232,TCP,UDP通信，這個看您的單片機通訊介面了，我平時會用到PCAN，這個相對來說便宜點，當然你也可以反向做快速原型操作，只是Matlab是非實時的，驗證一下大致控制策略是沒有問題的，
二、具體實施
1.Ubuntu ROS和Matlab通信
網路上許多教程都講過如何進行ROS和Matlab的通信，為了大家看得懂，我就再講一次如何連接，
首先用網線將樹莓派和筆記本電腦連上，在樹莓派的終端輸入：ifconfig 即可查看樹莓派的ip地址，
其次，在Home界面下鍵入 Ctrl +H 顯示隱藏檔案，雙擊打開 .bashrc 檔案，在最后一行輸入樹莓派的IP地址，保存檔案，退出終端，新建終端鍵入：roscore 啟動ROS，觀察ROS_MASTER_URI是否是樹莓派IP，紅框所示，
以上就完成了樹莓派的操作，下面打開Matlab，輸入以下代碼，將樹莓派作為主節點，Matlab作為從節點，
從圖片可以看到Matlab與樹莓派已經完成了通訊，無論從Ubuntu還是Matlab，都可以看到節點資訊，
2.控制演算法部署樹莓派
下圖即在上篇博客中搭建的軌跡跟蹤控制演算法，我將模型只留出控制演算法部分，因為此部分才是刷寫進實際控制器中的，
那么結合Simulink ROS工具箱，新建幾個Topics，Message type選擇ROS自帶的，通過一頓操作即可完成下面的匹配，從下圖可以看到，參考路徑xr，yr，kr，thetar的資料保存在Model Workspace中，整個模型目前有三個話題，控制演算法訂閱了GPS話題(x、y、橫擺角)和Speed(期望車輛行駛速度)話題，并且發布了Ctrl話題，其中包括速度和前輪轉角資料，
如果您沒有用過Simulink ROS toolbox，你可能對上面的模型不理解，建議跟著看兩個簡單的Examples就可以熟悉了，接下來，就需要對該模型進行C++代碼生成，需要您的Simulink中有Embedded Coder工具箱，進入設定界面，進入Hardware Implementation 選擇Hardware board為ROS，當然這里您用ROS2也是可以的，
然后回到模型界面，直接ctrl+B編譯模型，等待編譯完成(注意：如果您將樹莓派作為主節點，請確保樹莓派系統已經完成了roscore，不然會報丟主節點錯誤)，模型編譯完成，會彈出代碼生成報告，當然你不做SiL測驗直接用代碼也行，畢竟是個人玩家，不那么講究，在你的Matlab作業目錄下會出現一個tgz后綴的壓縮包，名字和模型名字一樣，
這里面就是節點代碼，將這個壓縮包解壓到該名字的檔案夾里，拷貝到U盤中，直接放入樹莓派ROS作業空間的SRC源檔案目錄下，如下圖所示，可以看到我的作業空間就這一個檔案夾，
然后，編譯該源檔案即可，在作業空間輸入 catkin build 即可，
等待片刻，可以看到已經將代碼完成編譯，報錯是不會報錯的，因為模型是正確的，這一點Matlab還是做得非常完美的，就是強(尬吹一下)，
編譯完成程序，設定環境變數后，直接rosrun即可，接下來，節點就run起來，那么在matlab中輸入 rostopic list就可以看到樹莓派發布和訂閱的話題了，至此在樹莓派上的作業就全部完成了，
3.Simulink車輛模型環境
在此需要鄭重宣告下，Simulink不是實時仿真，TCP傳輸也會有延遲，所以驗證演算法只能說可以做，但是完全達不到實時的工業級別要求，既然樹莓派發布了Ctrl話題以及需要訂閱GPS話題和Speed話題(樹莓派需要期望車速，那么車輛模型就需要提供介面，這里的模型用prescan也好，carsim也好，車輛動力學工具箱也好，都是可以的，將ROS訂閱和發布匹配樹莓派ROS即可，車輛模型我用了上一篇博客的車輛動力學工具箱模型，為了省事，下圖就是搭建好的模型了，已經完全匹配了ROS節點，
需要注意的是：Simulink仿真中可以實時，需要Simulink real-time 工具箱中的模塊，我的2019b沒有此工具箱，就通過以下方式，使仿真和實際同步，這個原則就是在Simulink能計算得過來的時候同步，算不過來了還是同步不了，就會很慢，
搭建完成后，直接run起來就可以了，可以看見車輛還是按照期望軌跡跑了起來，我將硬體在環的仿真結果和離散仿真的實際結果進行了對比，
為了考慮樹莓派的實際性能，我將控制周期設定為了50ms，并且黎卡提方程最大迭代次數為1500，離線仿真用的是10ms，黎卡提方程最大迭代次數為5000，可以看見，軌跡還是有差別的，具體因素太多了，這里就不一一分析了，
總結
本文針對個人玩家搭建的硬體在環平臺，適用人群為個人玩家或者我這種在校學生用來做快速驗證的，樹莓派作為一款性能還算不錯的嵌入式設備(比Arduino性能好多了)還是值得一用的，Jetson Nano也很好，Matlab也支持GPU代碼生成直接部署，搭建這樣簡單平臺的難點就在你能不能熟練地在Matlab環境下使用ROS工具箱，也大致瀏覽下help就可以快速上手，如果您將羅技G29或者游戲手柄裝上，就可以實作駕駛員和控制器都在環的仿真啦！如果您對本次分享有疑問，評論私信交流，
轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qita/262457.html
標籤：其他