本作品為第二屆立創(chuàng)商城電子制作節(jié)30強(qiáng)入圍作品，作者立創(chuàng)社區(qū)ID：風(fēng)過琴弦；轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，未經(jīng)允許不得用作商業(yè)用途。作品原鏈接：http://club.szlcsc.com/article/details_7053_1.html。

第一章 楔子

不知你是否和我一樣，在生命的某個(gè)階段，如此強(qiáng)烈地希望自己的生活中會(huì)有一段插曲是變形金剛，或者是終結(jié)者。當(dāng)我們終于能夠吃飽穿暖、事業(yè)穩(wěn)定，你會(huì)不會(huì)也像我一樣，有時(shí)會(huì)無意中記起，小時(shí)候曾經(jīng)在舊物攤上尋覓鐘表的齒輪，希望能拼成一個(gè)玩具小車。

蜥蜴項(xiàng)目的初始目標(biāo)就是延續(xù)小時(shí)候的夢(mèng)想，不同的是，現(xiàn)在我們有了更強(qiáng)的能力。憑借專業(yè)領(lǐng)域的長(zhǎng)久學(xué)習(xí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)更強(qiáng)大、更靈活的大玩具。更誘人的是，憑借我們的學(xué)習(xí)能力，蜥蜴將會(huì)不斷地改進(jìn)，越來越強(qiáng)大，如同進(jìn)化的傳說。

蜥蜴項(xiàng)目將作為一個(gè)開源項(xiàng)目長(zhǎng)期存在，原型版完成之后將針對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化以及增加新功能。電路圖、PCB、sldprt、stl文檔、單片機(jī)和樹莓派的源代碼都會(huì)保持公開和更新。

可以先看一下視頻:

前進(jìn)的命令由PC機(jī)通過WiFi連接樹莓派發(fā)出，樹莓派的程序隨后通過SPI通訊給STM32單片機(jī)發(fā)出命令，STM32采用PID算法驅(qū)動(dòng)履帶電機(jī)。目前小車重心在后面，后輪遇到障礙時(shí)，動(dòng)力不足以越過，PID算法自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)功率，越過障礙。

第二章  原始生物的運(yùn)動(dòng)器官

蜥蜴算是比較大型的項(xiàng)目，從最開始就計(jì)劃按不同部分分帖討論。第一帖在這里： http://club.szlcsc.com/article/details_7855_1.html

其中有詳細(xì)的設(shè)計(jì)思考過程，因?yàn)橛?jì)劃是個(gè)長(zhǎng)期項(xiàng)目，設(shè)計(jì)文件也是隨進(jìn)度更新，都在帖子里。

部分外購零部件：

DNA片段 -- 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)圖：

蜥蜴的腳趾？ -- 零部件組裝：

這應(yīng)該算是完整的四肢了吧 -- 底盤及電機(jī)負(fù)重圖 ：

到這一部分為止的演示視頻，用外接12V直接接電機(jī)：

這個(gè)視頻直觀演示底盤懸掛結(jié)構(gòu)的負(fù)重、緩沖、動(dòng)態(tài)分擔(dān)負(fù)載的性能，比起網(wǎng)上動(dòng)輒上千元還不帶緩沖結(jié)構(gòu)的底盤，也算不枉我花費(fèi)大量時(shí)間從頭學(xué)習(xí)研究設(shè)計(jì)一直到把它做出來。

第三章 從末梢神經(jīng)到脊髓 -- 電機(jī)測(cè)速、調(diào)速、PWM驅(qū)動(dòng)、PID驅(qū)動(dòng)

想想蜥蜴的神經(jīng)系統(tǒng)還挺專業(yè)，因?yàn)樗稚窠?jīng)組織和神經(jīng)信號(hào)兩部分。其實(shí)電路的硬件就相當(dāng)于生物的神經(jīng)組織，而神經(jīng)信號(hào)當(dāng)然就是相應(yīng)的軟件和電路信號(hào)了。

在蜥蜴項(xiàng)目的最初規(guī)劃階段曾經(jīng)明確過一個(gè)原則：盡量避免重新造輪子。按這一原則，在使用單片機(jī)的時(shí)候我毫不猶豫地選擇了開發(fā)板--壓在箱子底、放在閣樓上、落滿灰塵，但是仍然好用的野火STM32開發(fā)板。

電路硬件其實(shí)很簡(jiǎn)單，單片機(jī)本身能用到的幾乎就是個(gè)最小系統(tǒng)，電機(jī)測(cè)速的霍爾傳感器可以用3.3V電源，這樣信號(hào)也是3.3V，可以直接接單片機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L9110也可以使用3.3V輸入而給電機(jī)供應(yīng)12V的電壓。這樣簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)，直接用杜邦線連接就可以了。

電機(jī)需要12V電源，采用TPS60188升壓。電源電路對(duì)抗干擾要求高，況且60188的封裝也沒法手工焊，在立創(chuàng)做了樣板。

蜥蜴作為一個(gè)“動(dòng)物”，肯定要用個(gè)移動(dòng)電源，TP5602是不錯(cuò)的選擇，3A充放電，各種保護(hù)。購買鏈接：http://www.sosenglish.com.cn/product/details_81512.html

但是在調(diào)試過程中，電池電量耗費(fèi)很快，充電則太耽誤時(shí)間，所以調(diào)試還是用AC-DC的電源模塊供電，誰讓咱就是做這個(gè)的呢，從桌子底下翻出來兩個(gè)就好了。

程序沒有太多可說的，大部分是相應(yīng)外設(shè)的初始化及控制、讀取

把所有函數(shù)折疊一下，便于看個(gè)總貌：

直接對(duì)電機(jī)作用的是PWM信號(hào)。PID控制算法也需要將PWM占空比作為直接的被控對(duì)象，因此PWM是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，首先完成的是PWM的軟硬件調(diào)試：

需要改變某個(gè)通道的占空比時(shí)，只需要修改一個(gè)寄存器TIM2->CCRx就可以了。（代碼詳見原帖）

PID控制

PWM是最簡(jiǎn)單的開環(huán)調(diào)速，仔細(xì)想想還不如自然界的蜥蜴，蜥蜴的行為畢竟還是閉環(huán)反饋的。一般來說，閉環(huán)控制總是必不可少的。閉環(huán)控制中，PID屬于用得比較多也比較簡(jiǎn)單的了，當(dāng)然性能也就是差強(qiáng)人意。不過好在蜥蜴項(xiàng)目的重點(diǎn)不是放在這方面，說得過去就行了。

在我的第二貼里，http://club.szlcsc.com/article/details_7856_1_8.html#floor_8這里對(duì)PID算法做了簡(jiǎn)要的解說，

自我感覺還是很容易懂的，不熟悉的朋友可以去看看。應(yīng)該加個(gè)醒目的標(biāo)題什么的，最近兩天時(shí)間太緊了，當(dāng)時(shí)好長(zhǎng)的文本，寫完就忽略了標(biāo)題的問題，要改的時(shí)候已經(jīng)晚了不能改了?？雌饋砗孟袷且淮蠖褟U話一樣。。。

PID的核心算法其實(shí)很簡(jiǎn)單，就這么一點(diǎn)代碼。在上面提到那個(gè)帖子里，有其他輔助的內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)的定義、具體參數(shù)值、定時(shí)計(jì)算的機(jī)制等。（代碼詳見原帖）

PID運(yùn)行演示視頻：

視頻中，PID的參數(shù)采用樓上圖片中的參數(shù)，可以看到明顯的PID調(diào)整的特點(diǎn)。兩次手握住履帶后，電機(jī)受到阻力立刻減速，然后由于PID算法的作用，PWM占空比增加，履帶又頑強(qiáng)地開始加速到目標(biāo)速度，此時(shí)占空比很大，履帶底盤在泡沫的架子上咔噠咔噠亂動(dòng)，尤其第二次更明顯。

由于占空比很大，突然松手履帶就會(huì)轉(zhuǎn)得很快，此時(shí)PID調(diào)節(jié)再次起作用，速度迅速降低，然而存在超調(diào)現(xiàn)象，也就是速度降低到預(yù)設(shè)速度之后并沒有停止下降，而是繼續(xù)減慢。然后又在算法調(diào)整下慢慢逼近設(shè)定值，這就是超調(diào)現(xiàn)象。超調(diào)的成因，固然是PID參數(shù)（也就是Kp、Ki、Kd）需要精細(xì)調(diào)整，但是，PID算法很難在大范圍內(nèi)保持良好的性能，例如在負(fù)載變化很大的情況下兼顧調(diào)節(jié)速度與超調(diào)量。如果需要更好的性能，需要更“高端”的控制理論

SPI通訊

樹莓派只有一個(gè)串口，分配給了藍(lán)牙。雖然也可以用作串口，但是那樣以后就注定用不成藍(lán)牙了。和單片機(jī)通訊，SPI也是可選項(xiàng)之一。

SPI的一個(gè)特點(diǎn)就是他是同步通信。這意味著需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來為雙方提供同步，而這又意味著，只有主機(jī)主動(dòng)給出時(shí)鐘信號(hào)，從機(jī)才能發(fā)送數(shù)據(jù)；主機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)一停，叢機(jī)的發(fā)送過程就中斷。盡管主機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)一般不會(huì)突然停止，但是從機(jī)收到主機(jī)數(shù)據(jù)后需要時(shí)間來處理，很難保證立刻就開始發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。所以在SPI通訊中，從機(jī)最好是預(yù)先準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，而主機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，要繼續(xù)發(fā)送無意義的字符以便保持時(shí)鐘信號(hào)不會(huì)停止，這樣才能收到從機(jī)的應(yīng)答。

對(duì)于單片機(jī)來說，SPI有不少參數(shù)要指定。通訊雙方的參數(shù)要保持一致。

下面這段程序只給出了STM32的SPI參數(shù)配置，沒有包括引腳分配、中斷設(shè)置等。

SPI參數(shù)配置詳見原帖。

第四章 原始的眼睛和大腦 -- 樹莓派

樹莓派軟硬件簡(jiǎn)單介紹

樹莓派是國(guó)外的一款“開源”的處理模塊（帶引號(hào)是他的主控芯片是專供的，你自己沒辦法做出來），主要特性包括：主頻1.2G，內(nèi)存1G，帶WiFi，四個(gè)USB口可外接鍵盤鼠標(biāo)，帶HDMI口可外接顯示器，一堆引出的IO腳，可以運(yùn)行Linux等圖形操作系統(tǒng)。

有人說樹莓派比起同樣性能的其他模塊價(jià)格貴，但是它同樣有一個(gè)壓倒性的優(yōu)勢(shì)，就是廣泛流行帶來的大量的資料和社區(qū)探討?；旧?，需要用到的東西在網(wǎng)上都很容易找到。

出于科普的目的，樹莓派的官方系統(tǒng)（基于Debian）中集成了很多編程工具，對(duì)Python也有編譯環(huán)境。我們采用Python作為開發(fā)語言。說實(shí)話，個(gè)人覺得Python是個(gè)大坑，到處充斥著奇技淫巧，一個(gè)數(shù)組能變化出成千上萬的操作方法，初看起來很容易看懂，但是如果要精確寫出來，尤其是要想看到別人的程序能精確知道是什么結(jié)果，好像比C語言要記的東西多多了。奈何，現(xiàn)在主流的各種工具都提供對(duì)Python的支持，像機(jī)器學(xué)習(xí)框架Tensorflow，就明確說有些功能在C語言的庫里沒有實(shí)現(xiàn)。我們也就只好跳進(jìn)這個(gè)大坑了。

樹莓派的攝像頭

有一個(gè)庫是專門給樹莓派的攝像頭做的，叫做picamera（這個(gè)庫在電腦的Linux系統(tǒng)下是運(yùn)行不了的）

使用picamera，可以輕易地控制樹莓派的攝像頭：

更強(qiáng)大的是，可以直接把圖像數(shù)據(jù)保存到numpy數(shù)組里（我用的是Python2.7，需要提供一個(gè)一維數(shù)組，Python3對(duì)應(yīng)的庫則用三維數(shù)組）

機(jī)器學(xué)習(xí)框架 Tensorflow

Tensorflow是谷歌的開源機(jī)器學(xué)習(xí)框架。框架的含義個(gè)人理解包含兩層，一層是庫。你要什么功能，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。第二層意思是，這種庫不能完全隨意調(diào)用，要符合一定順序，這個(gè)順序是它背后實(shí)現(xiàn)的內(nèi)在機(jī)制決定的。這個(gè)機(jī)制的主要部分就是計(jì)算圖，你總要把圖畫好，然后才能開始計(jì)算。Tensorflow在背后幫你實(shí)現(xiàn)了這些東西，你只要對(duì)“業(yè)務(wù)邏輯”進(jìn)行編程就可以了，大大提高了你的勞動(dòng)效率。

大概這么簡(jiǎn)單個(gè)小程序可以完成一個(gè)最簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、訓(xùn)練、結(jié)果輸出。主要步驟是定義數(shù)據(jù)、定義loss、定義優(yōu)化方法，然后初始化框架，最后就可以慢慢算了

樹莓派的SPI

樹莓派自帶一個(gè)SPI的Python庫，叫做spidev。

這條命令和前面的stm32的spi程序配合，向其傳送命令，讓左右履帶電機(jī)都以50%的速度運(yùn)行。視頻中演示的動(dòng)作就由這條命令來完成。同時(shí)將STM32返回的數(shù)據(jù)（100mS內(nèi)測(cè)速脈沖讀數(shù)值）顯示出來。

臨時(shí)的第五章 臨時(shí)的milestone

本來有了前面這些東西，基本就可以實(shí)現(xiàn)一些最簡(jiǎn)單的功能了，比如循跡小車，幾乎是呼之欲出了。奈何一來時(shí)間緊，要賺錢養(yǎng)家，截止日期前這一段時(shí)間剛好工作上又比較忙，二來，簡(jiǎn)單的循跡小車也不是蜥蜴項(xiàng)目的目的。但是，花了這么多的時(shí)間精力，總歸還是有些收獲，可以總結(jié)點(diǎn)心得的。

從最基礎(chǔ)的底盤的機(jī)構(gòu)可以說明，在純電子行業(yè)，借助3D打印這類快速成型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單、精度要求不高的機(jī)械機(jī)構(gòu)。這些機(jī)械機(jī)構(gòu)可以是工作上的工具，可以是家里的實(shí)用物件，也可以是小朋友的玩具。這些東西甚至不一定是很簡(jiǎn)陋的。就蜥蜴的懸掛來說，其負(fù)重、緩沖、一對(duì)負(fù)重輪負(fù)載均衡的性能應(yīng)該說遠(yuǎn)好于模型和玩具的級(jí)別。如果做成金屬的，應(yīng)該完全可以進(jìn)入專業(yè)領(lǐng)域。

就電子和控制算法來說，PID是最常用的調(diào)速算法之一，直流電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)也是小功率場(chǎng)合低成本、常用解決方案。而樹莓派這一可以運(yùn)行操作系統(tǒng)的模塊，以及可以通過WiFi與PC機(jī)相連，則為“大腦”的實(shí)現(xiàn)提供了廣闊的空間，即使拿目前的蜥蜴，去實(shí)現(xiàn)“走走看看，你在電腦前遠(yuǎn)程監(jiān)視”這樣的功能，也是十分簡(jiǎn)單的（網(wǎng)上有現(xiàn)成的文章）。

臨時(shí)的milestone是為了給競(jìng)賽一份答卷，未來，蜥蜴將會(huì)不斷完善，真正演繹一段進(jìn)化的傳說