Tanky's blog

把置物架改成遥控车

3D打印

升高三，班里统一买置物架。当时我就想把它改成遥控车，我觉得三层的重心不稳，所以我极力反对买三层的，但是一些同学嫌两层不够用，最后少数服从多数，还是买了三层的。就是这样：

改造之前

（本来是有小轮子的，已经被我拆掉了）

放假时我把它拿回家。7/18 ，开始改造。

硬件

轮毂

看了一圈，没找到 6mm 轴径而且是D轴的轮子，所以随便买了4个直径 5cm 的轮子，然后自己 3D 打印轮毂。

后轮轮毂

用的 ABS 材料，打印完了，等热床冷却到室温，粘在热床上，用了好大力才掰下来，那层很薄的支撑还粘在上面，只能拿刀刮，很难刮干净。再刮就把 PEI 涂层刮烂了。摸起来还算平整，将就着用吧。

再看轮子本身。那个D轴的孔留得有点小，电机的轴插不进去。而且支撑树和模型本身粘的太牢了。

调整设计，把D轴那个孔的半径改大一点。在 Anycubic Slicer Next 里改参数：

（开启 Advanced ）

Support
    > Support
        > First layer expansion 默认5，改成 0
    > Advanced
        > Top Z distance 默认 0.12 ，改成 0.2
        > Top interface spacing 默认 0.5 ，改成 0.8

前后对比：

轮毂切片参数对比

再打印，打印第一层时我去观察，虽然没有那么大的支撑了，但挤出的就像是稀的一样，“渗进”了纹理 PEI 板里，我停止了打印，又花了好久把已经打出来的那几层刮掉，还是没刮干净。PEI 板就是这样的：

ABS 粘在热床上刮不掉

后来我打了两个别的东西，都用 ABS 。在切片时把打印机参数里的 Z offset 从 0 调整为 0.05mm ，打印出来一点都不粘，热床冷到 50°C 左右就自然脱落，根本不用掰，比 PETG 和 PLA 还好拿，而且也没有翘边的问题。

我就一直用这个方法，直到我打了一个比较大的东西，发现有的地方粘，有的地方不粘，才想起来，好久没有调平热床了，从此以后我每次打印都会开自动调平，以后就几乎没有遇到过取不下来的情况。

后轮 电机支架

轮子的的间距大概有 25cm ，如果用一条轴，第一，那么长的轴不好买，第二，需要传动皮带。所以，我选择在左右两侧各放一个电机。

我买了两个 JGB37-550 ，自带减速箱，880 RPM ，额定功率 70W 。下单之前拿尺子比划，好像不是很大，拿到手之后才觉得大，而且非常重。

置物架原装轮子是插进空心的铁杆里的，我量了尺寸之后，设计了电机支架：

电机支架

第一次打印，为了省时间，把层高调成了 0.28mm ，快是快，但是打到半圆的顶上时有下垂：

第一次打印电机支架

为了取得时间和质量的平衡，我用切片软件的可变层高功能，把顶上那一部分的层高调成 0.08mm ，其余部分的层高大一些。 可变层高不支持有机树支撑，我选了苗条树，打到一半，树倒了，打出来就是这样，我把树的 brim 加宽，还是倒了。

打印失败的电机支架

失败了两次，最后老老实实全部用 0.08mm 层高，用有机树支撑，树就没倒。

组装好之后是这样：

组装好的电机

前轮 转向结构

虽然我的打印机能打一整条转向连杆，但是打印出来肯定强度不够，所以两侧各一个舵机。9g 舵机应该是不够用的，用了稍大一点的 MG996 舵机。

转向结构

前轮和后轮的轮毂大同小异，凸出来一截轴就行了。

3D 打印有误差，即使我留了空隙，打印出来的孔还是装不进轴承。直接用榔头把轴承砸进去。

安装轴承

装上轮子和舵机：

组装好的转向结构

电路

用5节 18650 锂电池。不用4节，因为如果每节 3.7V ，4节就是 14.1V ，再加上用电时的压降，可能会导致 12V 降压模块输出 12V 以下的电压。

我想买5节电池串联的电池盒，但是买不到，只能买4串的电池盒，再加一个单节的。

电池盒

不把电池焊起来，第一，我只有烙铁，没有点焊机，第二，这个车我玩几天就不用了，电池以后还要拿到别的地方用。

电路简图

把线接好，放到一个合适的快递盒里，下层是电池和保护板，中间用泡沫隔开，别的都放上层。

盒子

遥控器

设计了一个外壳，把 esp32 开发板和两个摇杆电位器装进去。我有 esp32c3 SuperMini 开发板，比 esp32 开发板小很多，但它是陶瓷天线，信号传输距离不如 PCB 天线的 esp32 开发板，所以没用它。

遥控器外壳 CAD

摇杆有3个引脚，左右的接 3V3 和 GND ，中间的接 GPIO 。

翻出一个快4年没用的电池，初一时玩航模用的，竟然还能用，拿来做遥控器的电池了。懒得做开关，不用的时候拔掉电池就行。

遥控器背面

遥控器正面

后盖就没做了，直接拿电工胶缠住。

材料清单

车

遥控器

软件

Wi-Fi 和蓝牙的协议栈太复杂，连接速度慢，剩下的选择就只有 ESP-NOW 了。用外接的 sub-GHz 串口透传模块也可以，但是这个车也就室内玩玩，跑不了那么远，没必要。

软件架构

车

电机

一开始我用 idf 的 LEDC (LED control) 给 H 桥生成 PWM ，后来我在 idf 的 examples/peripherals/mcpwm/mcpwm_bdc_speed_control ，找到了 Espressif 官方的 bdc_motor 库，它基于 idf 的 MCPWM (Motor-control PWM) ，把 PWM 操作封装成设置速度、正转、反转、滑行、刹车等函数。

初始化：

void MotorController::initMotor() {
    bdc_motor_config_t motorConfig = {
        .pwma_gpio_num = 6,
        .pwmb_gpio_num = 7,
        .pwm_freq_hz = 10000
    };
    bdc_motor_mcpwm_config_t mcpwmConfig = {
        .group_id = 0,
        .resolution_hz = 1000000
    };
    ESP_ERROR_CHECK(bdc_motor_new_mcpwm_device(&motorConfig, &mcpwmConfig, &motor));
    ESP_ERROR_CHECK(bdc_motor_enable(motor));
    setSpeed(0.0f, 1);
}

设置速度：

void MotorController::setSpeed(float speed, uint8_t mode) {
    // tick period = resolution_hz / pwm_freq_hz = 100
    bdc_motor_set_speed(motor, static_cast<uint32_t>(speed * 100));
    if (mode == 1) {
        bdc_motor_forward(motor);
    } else if (mode == 2) {
        bdc_motor_reverse(motor);
    } else {
        bdc_motor_brake(motor);
    }
}

舵机

我一开始也是用 LEDC 控制舵机的，把 H 桥的 LEDC 换成 bdc_motor 后，我就在 Espressif component registry 搜索 servo ，搜到了同样是 Espressif 官方的 servo 库，它把 LEDC 封装成了设置角度。

初始化：

void MotorController::initServo() {
    servo_config_t leftConfig = SERVO_CONFIG_DEFAULT(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_TIMER_0, LEDC_CHANNEL_0, GPIO_NUM_4);
    servo_config_t rightConfig = SERVO_CONFIG_DEFAULT(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_TIMER_0, LEDC_CHANNEL_1, GPIO_NUM_5);
    iot_servo_new(&leftConfig, &leftServo);
    iot_servo_new(&rightConfig, &rightServo);
    setAngle(0.0f);
}

让 AI 帮我写了一个 Ackermann steering 算法，转向时内轮角度小，外轮角度大。

void MotorController::setAngle(float angle) {
    constexpr auto length = 35.0f;
    constexpr auto width = 25.0f;
    float delta = degToRad(angle * 20);
    float R = length / tan(delta);
    float inner;
    float outer;
    if (delta > 0) {
        inner = atan(length / (R - width / 2));
        outer = atan(length / (R + width / 2));
    } else {
        inner = atan(length / (R + width / 2));
        outer = atan(length / (R - width / 2));
    }
    float innerDeg = radToDeg(inner);
    float outerDeg = radToDeg(outer);
    if (delta > 0) {
        iot_servo_write_angle(leftServo, leftServoBaseAngle + innerDeg);
        iot_servo_write_angle(rightServo, rightServoBaseAngle + outerDeg);
    } else {
        iot_servo_write_angle(leftServo, leftServoBaseAngle + outerDeg);
        iot_servo_write_angle(rightServo, rightServoBaseAngle + innerDeg);
    }
}

遥控器

初始化 ADC unit 和 ADC channel ：

void InputController::initAdc() {
    auto unitConfig = adc_oneshot_unit_init_cfg_t {
        .unit_id = ADC_UNIT_1
    };
    adc_oneshot_new_unit(&unitConfig, &adcHandle);
    
    auto channelConfig = adc_oneshot_chan_cfg_t {
        .atten = ADC_ATTEN_DB_12,
        .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT
    };
    adc_oneshot_config_channel(adcHandle, ADC_CHANNEL_6, &channelConfig);
    adc_oneshot_config_channel(adcHandle, ADC_CHANNEL_7, &channelConfig);
    
    adc_cali_line_fitting_config_t caliConfig = {
        .unit_id = ADC_UNIT_1,
        .atten = ADC_ATTEN_DB_12,
        .bitwidth = ADC_BITWIDTH_DEFAULT
    };
    adc_cali_create_scheme_line_fitting(&caliConfig, &adcCaliHandle);
}

esp-dev-kits 文档里有引脚功能图，可以直观地看出 GPIO 对应的 ADC channel 。（图片链接）

读取 ADC 电压：

JoystickData InputController::readJoystick() {
    int aRaw, bRaw, aVoltage, bVoltage;
    adc_oneshot_read(adcHandle, ADC_CHANNEL_6, &aRaw);
    adc_cali_raw_to_voltage(adcCaliHandle, aRaw, &aVoltage);
    adc_oneshot_read(adcHandle, ADC_CHANNEL_7, &bRaw);
    adc_cali_raw_to_voltage(adcCaliHandle, bRaw, &bVoltage);
    // ...
}

很多 RC 车的遥控器的左摇杆是上推前进，下拉倒车，这样就没有刹车，我就改成上推前进或倒车，通过按键切换模式，下拉始终是刹车。

不想自己装按键，主要是小按键太难焊线了。偷个懒，按键用 GPIO 0 ，也就是开发板上的 BOOT 键。

测试

先给车上的 esp32s3 开发板烧录程序，烧录时会输出 MAC 地址，把它填到遥控器的代码里。

ESP-NOW 就是好用，第一次运行就连接成功了。

慢慢推左边的摇杆，电机加速，没问题。慢慢推右边的摇杆，舵机也转了，没问题。猛地一推右边的摇杆，车上的 esp32s3 开发板红灯一闪，然后没反应了。去看idf.py monitor的输出：

ESP-ROM:esp32s3-20210327
Build:Mar 27 2021
rst:0xf (BROWNOUT_RST),boot:0x0 (DOWNLOAD(USB/UART0))
waiting for download

esp32 的 Brownout detector 检测到电压不足就会重置。一开始我是用一个 5V 稳压模块给 esp32s3 开发板和舵机供电的，它有 2A 的输出，没想到舵机的功率还挺大，再加上 esp32s3 用 ESP-NOW 的发热量很大，估计功耗也不小，两个一叠加，稳压模块的输出就不够用了，就掉压了。 没办法，只能给两个舵机单独用一个 5V 稳压模块。

组装

把后轮的电机支架和前轮的转向结构插到置物架的铁杆里，打热熔胶固定。

车侧面

车前面

车后面

可以看到，左边的电机有点下垂，因为我第一次打印的电机支架并没有很好地适配铁杆的大小，所以有点松。workaround：用一根绳子吊住。

用绳子吊住电机

实测，如果把比较重的东西放在第三层，刹车时确实会很抖，放在第二层就好很多。

完成！

代码和 FreeCAD 文档都放在 GitHub 的 BinTianqi/RcRack 仓库里了。