查看: 8|回复: 0

[项目] 【FireBeetle ESP32 + SimpleFOC】打造两轮差速遥控小车

【FireBeetle ESP32 + SimpleFOC】打造两轮差速遥控小车，从倾角实验到无线控制

【项目背景】

最近迷上了无刷电机的FOC控制，SimpleFOC库让DIY变得异常简单。手头正好有两颗集成AS5600磁编码器的无刷电机（极对数7），配上SimpleFOCMini驱动板和FireBeetle ESP32，再加上MPU6050陀螺仪，就萌生了做一辆小车的想法。原本打算做一个自平衡车，但考虑到结构复杂度，最终决定做成两轮差速驱动加万向轮的形式，用手机网页遥控，既简单又好玩。

本文将分享整个制作过程，包括硬件选型、软件调试、倾角传感实验以及最终的网页遥控实现。希望能给同样对FOC小车感兴趣的朋友一些参考。

【硬件清单】

组件	型号/说明	数量
主控板	FireBeetle ESP32 (DFR0478)	1
无刷电机（带编码器）	外转子无刷电机，AS5600磁编码器，极对数7，12V供电，扭矩300g·cm	2
驱动板	SimpleFOCMini (基于DRV8313，三相PWM输入)	2
姿态传感器	MPU6050 (I2C接口)	1
电池	3S锂电池 (11.1V) 或 2S (7.4V)+12V压板	1
车架	亚克力板/3D打印件 + 万向轮	1套
其他	杜邦线、螺丝、铜柱等

【FireBeetle ESP32 + SimpleFOC】打造两轮差速遥控小车图1

【硬件连接】

电机0编码器：SDA→GPIO21，SCL→GPIO22
电机1编码器：SDA→GPIO19，SCL→GPIO18
MPU6050：与电机0共用I2C总线 (SDA21/SCL22)
电机0驱动：PWM引脚：25,26,27；使能引脚9
电机1驱动：PWM引脚：5,13,10；使能引脚2
电池电压12V接入驱动板VIN，ESP32可由驱动板5V供电或单独供电

注意：SimpleFOCMini驱动板支持3相PWM输入，需将ESP32的PWM信号连接到驱动板的IN1-IN3，使能引脚接高电平有效。

关于FOC

FOC（Field-Oriented Control，磁场定向控制）是一种先进的无刷电机控制技术，通过坐标变换将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，实现类似直流电机的独立控制。相比传统的方波控制，FOC具有转矩平滑、效率高、噪音低、动态响应快等优点。SimpleFOC开源库完美封装了FOC算法，让我们可以用Arduino轻松驱动无刷电机。

【项目阶段一：倾角控制实验】

在做小车之前，我先用MPU6050测试了通过车身倾角控制电机正反转。这个实验为后续的直立控制打下基础，虽然最终没用上，但过程很有趣。

代码思路

初始化两个AS5600编码器（各占用独立I2C总线）和MPU6050。
将两个电机配置为速度控制模式（MotionControlType::velocity）。
循环读取MPU6050的Y轴倾角（取决于安装方向），当倾角大于阈值时电机正转，小于负阈值时反转，中间区域停止。
通过motor.move(target)设置目标速度，loopFOC()高频执行FOC算法。

关键代码片段

void loop() {
  mpu6050.update();
  sensor_0.update(); sensor_1.update();
  
  roll = mpu6050.getAngleY();   // 获取倾斜角度
  
  float target = 0;
  if (roll > threshold) target = motor_speed;
  else if (roll < -threshold) target = -motor_speed;
  
  motor_0.loopFOC(); motor_0.move(target);
  motor_1.loopFOC(); motor_1.move(target);
  
  // 打印调试信息...
}
复制代码

实验结果：左右倾斜mpu6050传感器，两轮能同步正反转，响应灵敏，但速度环PID参数需要根据电机特性调整。通过串口打印观察，目标速度与倾角呈线性关系，但由于是简单的开关控制，不够平滑。
演示视频

【项目阶段二：网页遥控两轮差速小车】

放弃自平衡方案后，我增加了万向轮，将小车改为两轮差速驱动。用手机浏览器访问ESP32的Web服务器，通过按钮和滑块控制运动。

网页交互设计

四个方向按钮：前进、后退、左转、右转
停止按钮：紧急停止
两个滑块：基础速度调节（0~100）、转向速度调节（0~100）
交互逻辑：按下按钮发送动作指令，松开或点击停止发送停止指令；滑块实时发送新参数。

软件架构

使用ESPAsyncWebServer库搭建异步Web服务器，避免阻塞主循环。
HTML页面内嵌JavaScript，通过Fetch API向服务器发送GET请求。
主循环中不断执行FOC算法，并根据全局变量left_motor_cmd和right_motor_cmd设置电机目标速度（扭矩模式）。

电机控制模式选择

原SimpleFOC例程常用扭矩模式（电压控制），因为电机参数已知（相电阻2.9Ω），可以直接通过电压控制扭矩。但在速度模式下，需要整定PID，简单起见我保留了扭矩模式，将网页传来的“速度值”作为扭矩值（实际是电压值），通过motor.move()直接设置。若需精确速度控制，可改为速度模式并整定PID。

网页控制代码亮点

HTML关键部分（已做移动端优化）：

<style>
.btn {
  user-select: none;           /* 禁止选中 */
  -webkit-touch-callout: none; /* 禁止长按菜单 */
  touch-action: manipulation;  /* 优化触摸 */
}
</style>

<button class="btn" ontouchstart="sendAction('f', event)" ontouchend="sendAction('s', event)">前进</button>
复制代码

JavaScript：

function sendAction(cmd, event) {
  if (event) event.preventDefault();
  fetch(`/action?cmd=${cmd}`);
}
复制代码

通过传递event并调用preventDefault()，完美解决了手机长按按钮时弹出菜单导致touchend不触发的问题。

主控逻辑

在loop()中：

sensor_0.update(); sensor_1.update();
motor_0.loopFOC(); motor_1.loopFOC();
motor_0.move(-left_motor_cmd);   // 左电机取反（根据实际方向调整）
motor_1.move(right_motor_cmd);
复制代码

Web服务器回调函数根据命令更新left_motor_cmd和right_motor_cmd：

void updateMotorCommands(char cmd) {
  switch (cmd) {
    case 's': left_motor_cmd = 0; right_motor_cmd = 0; break;
    case 'f': left_motor_cmd = base_speed; right_motor_cmd = base_speed; break;
    case 'b': left_motor_cmd = -base_speed; right_motor_cmd = -base_speed; break;
    case 'l': left_motor_cmd = -turn_speed; right_motor_cmd = turn_speed; break;
    case 'r': left_motor_cmd = turn_speed; right_motor_cmd = -turn_speed; break;
  }
}
复制代码