本作品為第二屆立創商城電子制作節30強入圍作品，作者立創社區ID：風過琴弦；轉載請注明出處，未經允許不得用作商業用途。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，在生命的某個階段，如此強烈地希望自己的生活中會有一段插曲是變形金剛，或者是終結者。當我們終于能夠吃飽穿暖、事業穩定，你會不會也像我一樣，有時會無意中記起，小時候曾經在舊物攤上尋覓鐘表的齒輪，希望能拼成一個玩具小車。

蜥蜴項目的初始目標就是延續小時候的夢想，不同的是，現在我們有了更強的能力。憑借專業領域的長久學習和實踐經驗，將能夠實現一個更強大、更靈活的大玩具。更誘人的是，憑借我們的學習能力，蜥蜴將會不斷地改進，越來越強大，如同進化的傳說。

蜥蜴項目將作為一個開源項目長期存在，原型版完成之后將針對各環節進行優化以及增加新功能。電路圖、PCB、sldprt、stl文檔、單片機和樹莓派的源代碼都會保持公開和更新。

可以先看一下視頻:

前進的命令由PC機通過WiFi連接樹莓派發出，樹莓派的程序隨后通過SPI通訊給STM32單片機發出命令，STM32采用PID算法驅動履帶電機。目前小車重心在后面，后輪遇到障礙時，動力不足以越過，PID算法自動調整驅動功率，越過障礙。

第二章  原始生物的運動器官

蜥蜴算是比較大型的項目，從最開始就計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

其中有詳細的設計思考過程，因為計劃是個長期項目，設計文件也是隨進度更新，都在帖子里。

部分外購零部件：

DNA片段 -- 機械結構部分設計圖：

蜥蜴的腳趾？ -- 零部件組裝：

這應該算是完整的四肢了吧 -- 底盤及電機負重圖 ：

到這一部分為止的演示視頻，用外接12V直接接電機：

這個視頻直觀演示底盤懸掛結構的負重、緩沖、動態分擔負載的性能，比起網上動輒上千元還不帶緩沖結構的底盤，也算不枉我花費大量時間從頭學習研究設計一直到把它做出來。

第三章 從末梢神經到脊髓 -- 電機測速、調速、PWM驅動、PID驅動

想想蜥蜴的神經系統還挺專業，因為它分神經組織和神經信號兩部分。其實電路的硬件就相當于生物的神經組織，而神經信號當然就是相應的軟件和電路信號了。

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

電路硬件其實很簡單，單片機本身能用到的幾乎就是個最小系統，電機測速的霍爾傳感器可以用3.3V電源，這樣信號也是3.3V，可以直接接單片機。電機驅動電路L9110也可以使用3.3V輸入而給電機供應12V的電壓。這樣簡單的數字信號，直接用杜邦線連接就可以了。

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

蜥蜴作為一個“動物”，肯定要用個移動電源，TP5602是不錯的選擇，3A充放電，各種保護。購買鏈接：http://www.qdjpair.com/product/details_81512.html

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

程序沒有太多可說的，大部分是相應外設的初始化及控制、讀取

把所有函數折疊一下，便于看個總貌：

直接對電機作用的是PWM信號。PID控制算法也需要將PWM占空比作為直接的被控對象，因此PWM是電機驅動的基礎，首先完成的是PWM的軟硬件調試：

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

PID控制

PWM是最簡單的開環調速，仔細想想還不如自然界的蜥蜴，蜥蜴的行為畢竟還是閉環反饋的。一般來說，閉環控制總是必不可少的。閉環控制中，PID屬于用得比較多也比較簡單的了，當然性能也就是差強人意。不過好在蜥蜴項目的重點不是放在這方面，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PID算法做了簡要的解說，

自我感覺還是很容易懂的，不熟悉的朋友可以去看看。應該加個醒目的標題什么的，最近兩天時間太緊了，當時好長的文本，寫完就忽略了標題的問題，要改的時候已經晚了不能改了。看起來好像是一大堆廢話一樣。。。

PID的核心算法其實很簡單，就這么一點代碼。在上面提到那個帖子里，有其他輔助的內容，包括結構的定義、具體參數值、定時計算的機制等。（代碼詳見原帖）

PID運行演示視頻：

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

由于占空比很大，突然松手履帶就會轉得很快，此時PID調節再次起作用，速度迅速降低，然而存在超調現象，也就是速度降低到預設速度之后并沒有停止下降，而是繼續減慢。然后又在算法調整下慢慢逼近設定值，這就是超調現象。超調的成因，固然是PID參數（也就是Kp、Ki、Kd）需要精細調整，但是，PID算法很難在大范圍內保持良好的性能，例如在負載變化很大的情況下兼顧調節速度與超調量。如果需要更好的性能，需要更“高端”的控制理論

SPI通訊

樹莓派只有一個串口，分配給了藍牙。雖然也可以用作串口，但是那樣以后就注定用不成藍牙了。和單片機通訊，SPI也是可選項之一。

SPI的一個特點就是他是同步通信。這意味著需要一個時鐘信號來為雙方提供同步，而這又意味著，只有主機主動給出時鐘信號，從機才能發送數據；主機的時鐘信號一停，叢機的發送過程就中斷。盡管主機的時鐘信號一般不會突然停止，但是從機收到主機數據后需要時間來處理，很難保證立刻就開始發送應答數據。所以在SPI通訊中，從機最好是預先準備好數據，而主機發送完數據后，要繼續發送無意義的字符以便保持時鐘信號不會停止，這樣才能收到從機的應答。

對于單片機來說，SPI有不少參數要指定。通訊雙方的參數要保持一致。

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

SPI參數配置詳見原帖。

第四章 原始的眼睛和大腦 -- 樹莓派

樹莓派軟硬件簡單介紹

樹莓派是國外的一款“開源”的處理模塊（帶引號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，內存1G，帶WiFi，四個USB口可外接鍵盤鼠標，帶HDMI口可外接顯示器，一堆引出的IO腳，可以運行Linux等圖形操作系統。

有人說樹莓派比起同樣性能的其他模塊價格貴，但是它同樣有一個壓倒性的優勢，就是廣泛流行帶來的大量的資料和社區探討。基本上，需要用到的東西在網上都很容易找到。

出于科普的目的，樹莓派的官方系統（基于Debian）中集成了很多編程工具，對Python也有編譯環境。我們采用Python作為開發語言。說實話，個人覺得Python是個大坑，到處充斥著奇技淫巧，一個數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果，好像比C語言要記的東西多多了。奈何，現在主流的各種工具都提供對Python的支持，像機器學習框架Tensorflow，就明確說有些功能在C語言的庫里沒有實現。我們也就只好跳進這個大坑了。

樹莓派的攝像頭

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

使用picamera，可以輕易地控制樹莓派的攝像頭：

更強大的是，可以直接把圖像數據保存到numpy數組里（我用的是Python2.7，需要提供一個一維數組，Python3對應的庫則用三維數組）

機器學習框架 Tensorflow

Tensorflow是谷歌的開源機器學習框架。框架的含義個人理解包含兩層，一層是庫。你要什么功能，就調用相應的函數。第二層意思是，這種庫不能完全隨意調用，要符合一定順序，這個順序是它背后實現的內在機制決定的。這個機制的主要部分就是計算圖，你總要把圖畫好，然后才能開始計算。Tensorflow在背后幫你實現了這些東西，你只要對“業務邏輯”進行編程就可以了，大大提高了你的勞動效率。

大概這么簡單個小程序可以完成一個最簡單的神經網絡的構建、訓練、結果輸出。主要步驟是定義數據、定義loss、定義優化方法，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，讓左右履帶電機都以50%的速度運行。視頻中演示的動作就由這條命令來完成。同時將STM32返回的數據（100mS內測速脈沖讀數值）顯示出來。

臨時的第五章 臨時的milestone

本來有了前面這些東西，基本就可以實現一些最簡單的功能了，比如循跡小車，幾乎是呼之欲出了。奈何一來時間緊，要賺錢養家，截止日期前這一段時間剛好工作上又比較忙，二來，簡單的循跡小車也不是蜥蜴項目的目的。但是，花了這么多的時間精力，總歸還是有些收獲，可以總結點心得的。

從最基礎的底盤的機構可以說明，在純電子行業，借助3D打印這類快速成型技術，可以實現一些簡單、精度要求不高的機械機構。這些機械機構可以是工作上的工具，可以是家里的實用物件，也可以是小朋友的玩具。這些東西甚至不一定是很簡陋的。就蜥蜴的懸掛來說，其負重、緩沖、一對負重輪負載均衡的性能應該說遠好于模型和玩具的級別。如果做成金屬的，應該完全可以進入專業領域。

就電子和控制算法來說，PID是最常用的調速算法之一，直流電機的PWM驅動也是小功率場合低成本、常用解決方案。而樹莓派這一可以運行操作系統的模塊，以及可以通過WiFi與PC機相連，則為“大腦”的實現提供了廣闊的空間，即使拿目前的蜥蜴，去實現“走走看看，你在電腦前遠程監視”這樣的功能，也是十分簡單的（網上有現成的文章）。

臨時的milestone是為了給競賽一份答卷，未來，蜥蜴將會不斷完善，真正演繹一段進化的傳說