机器人的电机控制：一份学习路线图

电机是机器人的决策变成运动的地方。这条路线从零开始建立电机控制：先用 H 桥和 PWM 安全地开关真实的电机电流，然后通过读取编码器闭合回路，让你知道每个轮子转了多远、转得多快，最后把两个轮子组合成差速驱动的转向和里程计。

按顺序走完这些节点——每完成一个就会解锁下一个。到最后你就能以真实的精度指挥机器人的轮子，这是循迹、迷宫求解和自主导航的基础。

开始之前

你需要熟悉面包板接线和读电压，并且需要一块已经能烧录的单片机—— Arduino Uno是通常的选择。不需要控制理论； 那是PID 路线的内容，而它假定你先完成这条路线。

你将会做到什么

• 以指令速度双向驱动一台有刷直流电机，而且不让驱动器或板子发热。
• 解释为什么电机在 15% 占空比下静止不动、到 30% 才开始动，并为自己的硬件测出这个阈值，而不是猜。
• 把原始编码器脉冲换算成行驶的毫米和毫米每秒，包括把 ×4 正交倍频这个系数弄对。
• 把“原地左转 90°“变成左右轮的速度，并仅凭轮子运动预测机器人最后停在哪里。
• 依据你自己的机器人质量和轮子来给减速电机选型，而不是买套件里那个、然后在地毯上才发现问题。
• 实测你的减速箱背隙是多少度，并说出它让里程计付出什么代价。
• 算出你的机器人能施加在地面上的最大力，并说明拦住你的是电机还是轮胎。

大家卡在哪里

**用控制器的 5 V 轨给电机供电。**这是第一台机器人上最常见的单一故障。 稳压器供不出电机电流，于是电源轨塌陷、板子欠压复位，而症状看起来像 一个软件 bug。电机要用自己的电源；只有驱动器的逻辑侧才共用板子的 5 V—— 电源预算页里有相应的算术和测量方法。

**没有共地。**驱动器和控制器必须共用一个地参考，否则方向引脚毫无意义。 所有接线看起来都对，却什么都不动。

**指望里程计一直保持真实。**轮式里程计的漂移没有上限——每一次打滑、 每一毫米的轮径误差都会累积，而且永远不会被修正。它在一米的范围内 表现出色，在一百米的范围内一文不值。这个限制正是 建图路线存在的理由。

**不一致地计数编码器边沿。**一个正交编码器每个周期给出四个可计数的边沿。 只数一个却用数据手册上的 ×4 系数，会让每个距离都差出四倍， 读起来就像轮子被彻底标定错了。

**把减速箱的错怪到控制器头上。**会随方向变号的误差是机械问题，不是整定问题。 齿轮组有间隙，每次换向都会结算一次，而装在电机轴上的编码器完全看不见它。

你需要什么

为什么按这个顺序

选型刻意排在接线之前。几乎每一个“我的机器人太慢”或“我的驱动器烧了” 的问题，都是几个月前用盒子里那个电机而意外做出的选型决策。 算出你自己的机器人需要多少扭矩要花二十分钟，却能解决这条路线其余部分 会反复提出的问题。

附着力紧接在选型之后，因为它设定了第二个上限，而在一台小机器人上 它才是较低的那个。堵转扭矩说明电机能产出什么；摩擦说明地面会接受什么。 一台轻机器人在光滑地面上，大约在四分之一堵转扭矩处就撞上附着极限， 这意味着你电机能力的后四分之三根本传不到地面。不考虑附着力的选型 给你的机器人是纸面上强壮、实际在原地空转。

PWM 排在编码器之前，因为开环电机是最简单的一样会出错的东西， 而在上面没有叠控制回路时，调试接线故障要容易得多。 先让两个轮子都能以指令占空比双向转起来。

编码器排在差速驱动之前，因为差速驱动是建立在实测轮子运动之上的算术。 没有编码器你可以转向，却说不出机器人去了哪里，而那个节点里里程计那一半 也无从下手。

运动曲线和两个损失节点排在最后，因为每一个都是在纠正前面那些节点 让你相信的错误想法。运动曲线纠正“你可以直接指令一个位置”这个想法。 轮子打滑纠正“编码器测量的是地面”这个想法。背隙纠正“编码器测量的是轮子” 这个想法。三者都是令人失望的事实，而三者在这里学会， 都比在一台你正想赶紧做完的机器人上学要便宜。

检查点：如何判断一个阶段已经落地

这条路线到哪里为止

这条路线停在准确地指令运动。它不会围绕一个外部目标闭合成回路—— 没有要跟随的线，没有要保持的墙面，没有要收敛到的设定点。那是 PID 控制的内容，而它假定这里的一切。

有三处刻意的省略值得点名。无刷电机和电调是另一个控制问题， 而几乎没有哪台小型地面机器人需要它。步进电机用编码器换来了 开环定位，代价是扭矩和速度——这对打印机是正确的取舍，对漫游车则是 错误的；它们有自己的一条路线，见步进电机的精密运动。 全向传动——能横移的麦克纳姆轮和全向轮——需要四个独立控制的轮子 和另一套运动学，它们也有自己的一条路线，见全向驱动。 而电流检测——测量电机实际吸取的电流，而不是你指令的电流—— 是检测堵转的专业做法，而且确实有用，但它需要大多数入门级驱动器 并不具备的硬件。