开源！手把手教你搭建阿克曼自动驾驶小车（上）

在前面的推文中，我们基于Arduinomega2560扩展板做了两轮差速ROS底盘的搭建流程，前文也提到了我们的扩展板是带有2路舵机接口的，可以用来做二自由度云台控制，或者用于控制阿克曼底盘的前轮转向动力来源。

接下来这一篇将是关于Arduinomega2560底层控制用例里面的最后一篇，将分享如何通过ArduinoIDE实现阿克曼自动驾驶小车底盘的驱动部分。整个推文一共分为三个部分：

如上动态图所示，汽车的前轮由连接方向盘的转向机带动前轮拉杆左右移动，实现前轮转向功能。在我们制作阿克曼底盘的时候，可以使用舵机替代方向盘，完成前轮的转向控制，简单示意图如下。

所以需要我们在Arduino中编码，根据不同的角度需求产生不同占空比的脉冲。除此之外，我们需要注意的是，车轮转向的现象是车轮相对于居中位置偏转了多少度，然后在这个角度范围内，舵机输出轴需要转动多少度，最后便是应该给舵机多少占空比的脉冲信号。代码如下：

细心观察生活的同学可能会发现，当车辆转弯时内侧轮胎和外侧轮胎行驶的路径通常是不等长的，若转弯时后面两个轮胎以相同的转速转动，那会容易翻车。后来，前辈们发明了一种差速器的机械机构，让后轮在弯道中可以以不同的转速行驶，以此提升车辆行驶的稳定性(当然这也降低了凹凸路面的通过性哈，这里不多描述原因)，先看一张传统燃油车的差速驱动后桥示意图：

虽然大多数的我们都不会设计和装配这么复杂的传动机构，但是，我们可以用两个独立的电机分别控制后轮的转速，通过车辆模型计算和模拟出正确的后轮转速，使得车辆在行驶的过程中可以足够稳定。

除此之外，阿克曼底盘因为前轮转向角度的原因，会有一个最小转弯半径，在《搭建ROS机器人之——阿克曼底盘里程计解算节点》中，我们做了简单的运动学计算，数学模型如下：

关于后轮驱动部分，为了和前面写的推文对照一致，这里Arduino中还是按照差速控制的方式实现后轮速度控制，关于阿克曼底盘约束放在上位机的ROS包中完成。若您使用小功率电机，比如：TT马达、37电机等，那么详细的驱动教程如以下推文所示：

若你想使用功率更大的直流减速电机，那么其控制方法如以下推文所示：

按照上述的方法完成电机搭建之后，接下来就是结合自己的电机调整电机PID速度控制的三个参数：P、I、D；我们也写了对应的步骤，推文如下所示：

有经验的小伙伴会发现，机器人大多会使用两个处理器，一个是计算能力相对较低的下位机处理器(Arduino、STM32等)负责电机控制、继电器控制、数据通信，主要是当做底层的执行机构；

另外一个是计算能力相对强的上位机处理器(PC、工控机、开源控制器等)，其负责接收来自“四面八方”的各路传感器信息，通过运动学模型和传感器融合估计机器人当前的位置、使用规划算法(RRT、A*、Dijkstra等)完成全局的路径规划；通过控制算法(teb、DWA、MPC、PD、LQR等)完成实际的速度规划，保证机器人follow全局路径，最后实现一定的功能。

我们这一篇记录的就是如何通过“串口通信”的方式，实现上位机、下位机之间的数据交互，结合前面的内容，我简单绘制了一张框图：

为了实现上述的功能，如《开源！手把手教你将超声波数据用Rviz可视化》中添加超声波数据的方式，我们继续在这个开源的框架上添加上关于前轮转向舵机的数据传达，和上位机阿克曼运动学约束。

约定上下位机关于电机舵机的通讯格式如下:

Arduino端串口数据解析核心代码如下：

正向运动学解算：即订阅其他ROS节点发布的速度话题(线速度、角速度)，然后根据车辆尺寸参数解算为后面左右电机的速度(V_L,V_R)、前面车轮需要转动的角度(Servo_angle)，即符合阿克曼底盘的约束。

订阅速度“cmd_vel”的回调函数如下：

除此之外，上位机ROS包保持一定的频率通过串口查询电机实际转动的脉冲数，然后通过推算出电机的速度并积分，

大致估计出机器人当前时刻相对于起始点的位置和姿态。这里通过左右轮的速度信息，估计小车运动学中心速度(线速度、角速度)的计算过程便称为：逆向解算，我们把它称为小车的轮式里程计数据输出。

轮式里程计的核心代码如下：

收到群里面小伙伴儿的建议，我们也推出了一款更容易上手的阿克曼实体自动驾驶小车，搭配我们强大的NEORmini仿真仓库，带领大家一步一步将仿真中涉及的章节在实体小车上一一复现。

在后面的推文中，我们将继续分享如何自己动手一步一步构建ROS自动驾驶小车。ROS上层的建图、导航、视觉循迹、目标检测与识别、UWB定位等等实体功能，多线激光雷达高阶示例。

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