舵轮底盘与功率控制
算法与嵌入式开发 · 独立完成并开源
开发底盘功率建模、约束与能量控制算法，分别实现麦轮／全向轮、舵轮及轮腿方案，并整理开源报告与代码。
- 个人工作
- 功率算法与三类底盘适配
- 模型输入
- 电机反馈 + 系统总功率测量
- 公开资料
- 代码、模型说明与演示视频
背景
底盘在功率受限时仍需响应运动指令。单纯按转速误差分配功率，在小误差和坡上停驻等工况下也需要处理。
我完成了开源项目中的功率算法及三类底盘适配，复用团队已有的底盘解算、矩阵等基础代码。开发发生于 2024 赛季，开源资料于同年 9 月整理发布。
个人贡献
- 建立电机功率模型，并在麦轮／全向轮实现有条件的 RLS 参数更新、功率分配和能量控制。
- 完成舵轮转向／驱动两组电机的功率约束，以及轮腿底盘的运动分量解析约束。
- 实现测量失效时的模型更新与输出处理，整理模型推导、源码和演示材料。
- 技术环境
- STM32 · FreeRTOS · RLS · Power / Energy Control · Swerve Kinematics
系统实现
麦轮／全向轮
用速度和力矩构造模型特征，依据可信总功率更新 RLS；混合转速误差权重与预测功率比例，再反解允许力矩。
舵轮
转向与驱动电机组分别使用功率模型，先分配两组预算，再限制电机输出。开源适配使用传入的模型系数。
轮腿
保留与姿态平衡相关的力矩项，对速度和偏航相关分量求解衰减，结合电容能量控制可用功率。
模型与假设
P = Σ(τᵢωᵢ) + k₁Σ|ωᵢ| + k₂Στᵢ² + k₃
P 为功率（W），τ 为力矩（N·m），ω 为实际角速度（rad/s），且力矩与转速必须对应同一轴端。k₁、k₂ 表示速度及力矩平方相关的损耗系数，k₃ 为常量损耗项；麦轮／全向轮实现在线估计 k₁、k₂。
- 实现按 ω = rpm × π / 30 转换转速，并用电机力矩常数、减速比及电流／协议量程将输出命令换算为力矩；轴端约定需与接入的电机接口一致。
- 报告假设电机力矩响应相对快，且单个控制周期内实际转速变化较小。
- 麦轮／全向轮任务设置 1 ms 延时；RLS 更新还取决于使能状态、有效测量、死区及回馈功率条件。
- 优先使用超级电容反馈的底盘总功率作为标签；电容仍在充放电时，裁判系统侧的功率不等于底盘侧功率，只有满足相应条件才切换标签。
电机速度 + 力矩构造回归特征
实测底盘总功率超级电容；满足条件时使用裁判数据
RLS任务设置 1 ms 延时；按有效条件更新
各电机预测功率需求权重与总预算分配
允许力矩裁判 / 电容能量路径约束总上限
异常输入下的处理
| 输入状态 | 模型与假设 | 功率 / 能量上限 | 输出行为 |
|---|---|---|---|
| 裁判、超级电容与电机反馈有效 | 电机速度 / 力矩构造特征；超级电容底盘总功率作为标签，满足死区时更新 RLS | 裁判功率上限与超级电容能量环共同约束 | 按需求与预测功率分配各电机预算 |
| 裁判失联，超级电容与电机有效 | 超级电容仍提供总功率标签，RLS 可继续满足条件的更新 | 使用本地估算的保守裁判上限，并保留电容能量反馈 | 在计算后的保守总上限内继续分配 |
| 超级电容失联，裁判与电机有效 | 仅当电容被判断为能量耗尽且裁判总功率有效时采用裁判标签；否则停用更新 | 回退到裁判功率 / 缓冲能量路径 | 按较保守上限分配并等待电容恢复 |
| 单电机反馈失联 | 最近反馈保留最多 1000 个任务迭代用于功率估计，随后排除 | 总上限仍由当前裁判 / 电容状态决定 | 失联电机不继续正常驱动，其余电机在现有预算内工作 |
| 裁判与超级电容均失联 | 没有可信总功率标签，停止在线更新并使用模型估计 | 关闭能量环，按最近等级计算保守上限 | 限制总输出，等待任一测量链路恢复 |
技术决策
小转速误差时改变分配权重
- 背景
- 只按转速误差分配，在小误差或坡上停驻时可能过于敏感。
- 选择
- 根据总误差在误差权重和原始预测功率比例之间过渡。
轮腿底盘优先保留平衡项
- 背景
- 统一缩放全部力矩会同时改变姿态平衡所需的输出。
- 选择
- 按报告将力矩分解，保留姿态相关项，对速度与偏航相关项求解功率约束。
分开处理测量失效与输出失效
- 背景
- 电机、超级电容与裁判系统提供不同输入，失联后不能用同一个状态替代所有判断。
- 选择
- 依据仍有效的测量选择模型标签与能量反馈；对断联电机停止正常输出，并短暂保留最近反馈用于估算。
功率预算低于模型可达范围时
- 背景
- 允许力矩通过二次方程求解；预算不足时，判别式可能为负。
- 选择
- 麦轮／全向轮实现此时取二次函数顶点对应的力矩，再按电机输出限幅。若模型最小功率仍高于预算，该分支不能满足给定上限。轮腿方案保留姿态相关项，对运动分量的约束也受预算可行性限制。
验证与现场记录
- 开源 RLS 演示保留了调试器参数和功率曲线，舵轮视频展示了底盘运动。
- 充电与补电视频来自比赛画面，对应报告中的能量使用示例。
- 开源报告记录：2024 赛季战队机器人未因底盘超功率被裁判系统扣血。