Werkend script mbv Laurens
Dependencies: mbed QEI HIDScope biquadFilter MODSERIAL FastPWM
main.cpp
- Committer:
- Renate
- Date:
- 2019-12-10
- Revision:
- 2:25d2d6a5e212
- Parent:
- 1:b862262a9d14
File content as of revision 2:25d2d6a5e212:
#include "mbed.h" #include "HIDScope.h" #include "QEI.h" #include "BiQuad.h" #include "FastPWM.h" #define M_PI 3.14159265358979323846 /* pi */ #include <math.h> // PC CONNECTIONS Serial pc(USBTX, USBRX); HIDScope scope(6); // DIGITAL OUT // DIGITAL IN DigitalIn Power_button_pressed(D1); // Definiëren van alle buttons, we gebruiken hiervoor geen InterruptIn, maar DigitalIn. InterruptIn Emergency_button_pressed(D2); DigitalIn Motor_calib_button_pressed(SW2); DigitalIn servo_button_pressed(SW3); // ANALOG IN AnalogIn EMG_biceps_right_raw (A0); // Definiëren van de ruwe EMG-signalen die binnenkomen via AnalogIn. AnalogIn EMG_biceps_left_raw (A1); // We gebruiken signalen van de kuit en de linker en rechter biceps. AnalogIn EMG_calf_raw (A2); // ENCODERS QEI Encoder1(D13, D12, NC, 64); // Definities voor de encoders op motor 1 (Encoder1) en 2 (Encoder2). Hiervoor wordt de QEI library gebruikt QEI Encoder2(D10, D9, NC, 64); // We gebruiken X2 encoding, wat standaard is en dus niet hoeft worden toegevoegd aan deze defninitie. // MOTORS const float PWMfreq = 18000.0; FastPWM motor1(D6); // Definities voor de motorsnelheden door middel van PwmOut. Er kan een getal tussen 0 en 1 worden ingevoerd. FastPWM motor2(D5); DigitalOut motor1_dir(D7); // Definities voor de richtingen van de motoren. Het getal 0 zorgt voor de ene richting, het getal 1 voor de andere. DigitalOut motor2_dir(D4); // Het aantal counts per omwenteling is gelijk aan 64. // TICKERS Ticker loop_ticker; // Ticker aanmaken die ervoor zorgt dat de ProcessStateMachine met een frequentie vsn 500 Hz kan worden aangeroepen. const float main_loop_freq = 500.0; // Main loop frequency. // BENODIGD VOOR PROCESS STATE MACHINE enum states {Motors_off, Calib_motor, Calib_EMG, Homing, Demo, Operation_mode}; // Alle states definiëren. states currentState = Motors_off; // State waarin wordt begonnen definiëren. volatile bool stateChanged = true; // Toevoegen zodat de initialisatie van de eerste state plaatsvindt. // VARIABELEN // Motor encoders volatile float offset1 = 0.0; volatile float offset2 = 0.0; volatile float counts1; volatile float counts2; volatile float theta_h_1_rad; // Actuele motorhoek in radialen (motor 1). volatile float theta_h_2_rad; // Actuele motorhoek in radialen (motor 2). volatile float q1; // Hoek joint 1 die volgt uit de actuele motorhoeken. volatile float q2; // VARIABELEN VOOR EMG + FILTEREN volatile float filtered_EMG_biceps_right_1; // Definities voor ruwe EMG-signalen, gefilterd met de high-pass en notch filter. volatile float filtered_EMG_biceps_left_1; volatile float filtered_EMG_calf_1; volatile float filtered_EMG_biceps_right_abs; // Definities voor de signalen, waarbij de absolute waarden genomen zijn van de eerste filterketen. volatile float filtered_EMG_biceps_left_abs; volatile float filtered_EMG_calf_abs; volatile float filtered_EMG_biceps_right; // Definities voor de gefilterde EMG-signalen, na de tweede filter keten. volatile float filtered_EMG_biceps_left; volatile float filtered_EMG_calf; // VARIABELEN VOOR (INITIATIE VAN) EMG KALIBRATIE LOOP volatile bool calib = false; // Benodigde bool en 'runner' (i_calib) voor het uitvoeren van de EMG-kalbratie. volatile int i_calib = 0; volatile float filtered_EMG_biceps_right_total; // Benodigde variabelen voor het berekenen van een gemiddelde maximale EMG-waarde tijdens de EMG-kalibratie. volatile float filtered_EMG_biceps_left_total; // Dit totaal is een sommatie van de signalen over 5 seconden. volatile float filtered_EMG_calf_total; volatile float mean_EMG_biceps_right; // Global variables definiëren voor het gemiddelde maximale EMG-signaal, verkregen d.m.v. de EMG-kalibratie. volatile float mean_EMG_biceps_left; volatile float mean_EMG_calf; // CONTROLLER // VARIABELEN VOOR OPERATION MODE (RKI) volatile float vx; // Geeft de definitie voor de 'desired velocity' in x-richting. volatile float vy; // Geeft de definitie voor de 'desired velocity' in y-richting. volatile float Inverse_jacobian[2][2]; // Matrixen opstellen voor de inverse jacobian en de gewenste snelheden (vx en vy). volatile float desired_velocity[2][1]; volatile float Jacobian_double_prime[2][2]; volatile float Joint_velocity[2][1] = {{0.0}, {0.0}}; // Nulmatrix opstellen voor de joint snelheden, beginwaarden. const float delta_t = 0.002; // Tijdsverschil dat wordt gebruikt om de joint velocities te integreren, is gelijk aan de duur van een 'ticker ronde'. volatile float Joint_1_position = 0.0; // Begindefinities opstellen voor de joint en motor posities. volatile float Joint_2_position = 0.0; volatile float Joint_1_position_prev = 0.0; volatile float Joint_2_position_prev = 0.0; volatile float Motor_1_position = 0.0; volatile float Motor_2_position = 0.0; volatile float error_M1; // Definiëren van de motorerrors, het verschil tussen de daadwerkelijke hoek en de gewenste hoek. volatile float error_M2; // VARIABELEN VOOR OPERATION MODE (PI-CONTROLLER) const float Kp = 25.0; // Kp en Ki waarden voor de PI-controller definiëren. const float Ki = 0.1; // Zijn theoretisch getest met goede resultaten, in de praktijk konden geen goede tests worden verricht, doordat de // robot oncontroleerbaar gedrag vertoonde. volatile float theta_k_1 = 0.0; // Begin definities opstellen voor de motorhoeken na de proportional part. volatile float theta_k_2 = 0.0; volatile float error_integral_1 = 0.0; // Begin definities opstellen voor de integralen van de errors. volatile float error_integral_2 = 0.0; volatile float u_i_1; // Uitkomst variabelen definiëren voor de vermenigvuldiging van de error integraal met Ki. volatile float u_i_2; volatile float theta_t_1; // Variabelen opstellen voor de sommatie van theta_k en u_i. volatile float theta_t_2; volatile float abs_theta_t_1; // Variabele opstellen voor de absolute waarde van theta_t. volatile float abs_theta_t_2; // DEMO MODE volatile int i_demo; // EMG FILTERS // BICEPS-RECHTS // Definities voor eerste BiQuadChain (High-pass en Notch) opstellen BiQuadChain bqcbr; BiQuad bqbr1(0.8006, -1.6012, 0.8006, -1.5610, 0.6414); // High-pass filter met een cut off frequentie van 25 Hz. BiQuad bqbr2(1, -1.6180, 1, -1.6019, 0.9801); // Notch filter met een frequentie van 50 Hz en een notchwidth van 0.01 Hz. // Na het nemen van de absolute waarde (later) moet de tweede BiQuadChain worden // toegepast. Definieer (twee Low-pass filters-> vierde orde filter verkrijgen): BiQuadChain bqcbr2; BiQuad bqbr3(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // Twee low-pass filters met een cut off frequentie van 2 Hz. BiQuad bqbr4(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // BICEPS-LINKS // Definities voor eerste BiQuadChain (High-pass en Notch) opstellen BiQuadChain bqcbl; BiQuad bqbl1(0.8006, -1.6012, 0.8006, -1.5610, 0.6414); // High-pass filter met een cut off frequentie van 25 Hz. BiQuad bqbl2(1, -1.6180, 1, -1.6019, 0.9801); // Notch filter met een frequentie van 50 Hz en een notchwidth van 0.01 Hz. // Na het nemen van de absolute waarde (later) moet de tweede BiQuadChain worden // toegepast. Definieer (twee Low-pass filters-> vierde orde filter verkrijgen): BiQuadChain bqcbl2; BiQuad bqbl3(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // Twee low-pass filters met een cut off frequentie van 2 Hz. BiQuad bqbl4(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // KUIT // Definities voor eerste BiQuadChain (High-pass en Notch) opstellen BiQuadChain bqck; BiQuad bqk1(0.8006, -1.6012, 0.8006, -1.5610, 0.6414); // High-pass filter met een cut off frequentie van 25 Hz. BiQuad bqk2(1, -1.6180, 1, -1.6019, 0.9801); // Notch filter met een frequentie van 50 Hz en een notchwidth van 0.01 Hz. // Na het nemen van de absolute waarde (later) moet de tweede BiQuadChain worden // toegepast. Definieer (twee Low-pass filters-> vierde orde filter verkrijgen): BiQuadChain bqck2; BiQuad bqk3(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // Twee low-pass filters met een cut off frequentie van 2 Hz. BiQuad bqk4(1.5515e-4, 3.1030e-4, 1.5515e-4, -1.9645, 0.9651); // Functions void motors_off() // Functie waarbij beide motoren worden uitgezet. { motor1.write(0); motor2.write(0); pc.printf("Motoren uit functie\r\n"); } void emergency() // Noodfunctie waarbij de motoren uit worden gezet en de ProcessStateMachine wordt losgekoppeld { // van de ticker. De robot doet dan niks meer. De enige optie is om de mbed te resetten, waarna loop_ticker.detach(); // het script opnieuw moet worden opgestart. motor1.write(0.0); motor2.write(0.0); pc.printf("Ik ga exploderen!!!\r\n"); } void EMG_calibration() // Functie die wordt uitgevoerd tijdens de EMG kalibratie. Wordt geinitialiseerd door de bool calib, { // die alleen waar is tijdens de EMG kalibratie. Er wordt gebruikgemaakt van een runner i_calib, zodat if (i_calib == 0) { // EMG-waarden tijdens maximale spierspanning gedurende 5 seconden bij elkaar op worden geteld. Het gemiddelde filtered_EMG_biceps_right_total=0; // hiervan kan worden bepaald door te delen door het aantal samples dat genomen is in dit interval, namelijk 2500. filtered_EMG_biceps_left_total=0; filtered_EMG_calf_total=0; } if (i_calib <= 2500) { filtered_EMG_biceps_right_total+=filtered_EMG_biceps_right; filtered_EMG_biceps_left_total+=filtered_EMG_biceps_left; filtered_EMG_calf_total+=filtered_EMG_calf; i_calib++; } if (i_calib > 2500) { mean_EMG_biceps_right=filtered_EMG_biceps_right_total/2500.0; mean_EMG_biceps_left=filtered_EMG_biceps_left_total/2500.0; mean_EMG_calf=filtered_EMG_calf_total/2500.0; pc.printf("Ontspan spieren\r\n"); pc.printf("Rechterbiceps_max = %f, Linkerbiceps_max = %f, Kuit_max = %f\r\n", mean_EMG_biceps_right, mean_EMG_biceps_left, mean_EMG_calf); calib = false; } } void Inverse_Kinematics() // Functie die de inverse kinematica uitvoert. De inverse Jacobian is afkosmtig uit eerdere berekeningen in Matlab. { // The desired velocity komt voort uit de operation mode, waar hier een waarde aan wordt toegekend. // Defining joint velocities based on calculations of matlab // Outputs van deze functie zijn motorposities, die later worden gebruikt bij het berekenen van een positie error. Jacobian_double_prime[0][0] = cos(q1-3.141592653589793/3.0)*(-1.7E+1/4.0E+1)+(cos(q1+q2-atan(sqrt(3.0)*(8.5E+1/1.37E+2)-4.5E+1/1.37E+2))*1.7093510851226E+2)/4.0E+2; Jacobian_double_prime[0][1] = (cos(q1+q2-atan(sqrt(3.0)*(8.5E+1/1.37E+2)-4.5E+1/1.37E+2))*1.7093510851226E+2)/4.0E+2; Jacobian_double_prime[1][0] = cos(q1+3.141592653589793/6.0)*(1.7E+1/4.0E+1)+(sin(q1+q2-atan(sqrt(3.0)*(8.5E+1/1.37E+2)-4.5E+1/1.37E+2))*2.682835056795381E+3*(sqrt(2.0)*1.7E+1-sqrt(6.0)*3.0))/1.048E+5; Jacobian_double_prime[1][1] = (sin(q1+q2-atan(sqrt(3.0)*(8.5E+1/1.37E+2)-4.5E+1/1.37E+2))*2.682835056795381E+3*(sqrt(2.0)*1.7E+1-sqrt(6.0)*3.0))/1.048E+5; float detJ = Jacobian_double_prime[0][0]*Jacobian_double_prime[1][1] - Jacobian_double_prime[0][1]*Jacobian_double_prime[1][0]; Inverse_jacobian[0][0] = (1.0/float(detJ))*Jacobian_double_prime[1][1]; Inverse_jacobian[0][1] = -(1.0/float(detJ))*Jacobian_double_prime[0][1]; Inverse_jacobian[1][0] = -(1.0/float(detJ))*Jacobian_double_prime[1][0]; Inverse_jacobian[1][1] = (1.0/float(detJ))*Jacobian_double_prime[0][0]; if (fabs(detJ)<0.01) { Joint_velocity[0][0] = 0.0; Joint_velocity[1][0] = 0.0; } else { Joint_velocity[0][0] = Inverse_jacobian[0][0]*vx + Inverse_jacobian[0][1]*vy; Joint_velocity[1][0] = Inverse_jacobian[1][0]*vx + Inverse_jacobian[1][1]*vy; } scope.set(4,Joint_velocity[0][0]); scope.set(5,Joint_velocity[1][0]); // Integration Joint_1_position = Joint_1_position_prev + Joint_velocity[0][0]*delta_t; Joint_2_position = Joint_2_position_prev + Joint_velocity[1][0]*delta_t; Joint_1_position_prev = Joint_1_position; Joint_2_position_prev = Joint_2_position; Motor_1_position = Joint_1_position; Motor_2_position = Joint_1_position + Joint_2_position; } void Read_all_inputs() { // Berekenen van de motorhoeken (in radialen) counts1 = Encoder1.getPulses(); // Verkrijgen van het aantal counts uit de encoders counts2 = Encoder2.getPulses(); theta_h_1_rad = ((2.0*M_PI)*(counts1-offset1))/(32.0*131.25); // Van het gemeten aantal counts wordt de offset afgetrokken, zodat het aantal counts in de referentie positie gelijk is aan 0. theta_h_2_rad = ((2.0*M_PI)*(counts2-offset2))/(32.0*131.25); // Vermenigvuldiging met de conversion factor zorgt ervoor dat het aantal counts wordt omgezet naar de huidige motorhoeken. // Calculating joint angles based on motor angles (current encoder values) q1 = theta_h_1_rad; // Relatieve hoek joint 1 in radialen. q2 = theta_h_2_rad - theta_h_1_rad; // Relatieve hoek joint 2 in radialen. // Eerste deel van de filters (High-pass + Notch) over het ruwe EMG signaal // doen. Het ruwe signaal wordt gelezen binnen een ticker en wordt daardoor 'gesampled' filtered_EMG_biceps_right_1=bqbr1.step(EMG_biceps_right_raw.read()); filtered_EMG_biceps_left_1=bqcbl.step(EMG_biceps_left_raw.read()); filtered_EMG_calf_1=bqck.step(EMG_calf_raw.read()); // Vervolgens wordt de absolute waarde hiervan genomen filtered_EMG_biceps_right_abs=fabs(filtered_EMG_biceps_right_1); filtered_EMG_biceps_left_abs=fabs(filtered_EMG_biceps_left_1); filtered_EMG_calf_abs=fabs(filtered_EMG_calf_1); // Tenslotte wordt het tweede deel van de filters (twee low-pass, voor 4e orde filter) // over het signaal gedaan filtered_EMG_biceps_right=bqcbr2.step(filtered_EMG_biceps_right_abs); filtered_EMG_biceps_left=bqcbl2.step(filtered_EMG_biceps_left_abs); filtered_EMG_calf=bqck2.step(filtered_EMG_calf_abs); } void Homing_function() // Functie die ervoor zorgt dat homing wordt uitgevoerd. De motoren worden met een lage snelheid bewogen, tot de motorhoeken { float home = 0.0; // weer in de referentie positie staan (0 in ons geval, doordat we compenseren met een offset voor encoder counts). Wanneer if (theta_h_1_rad != home) { // deze positie is bereikt, wordt de snelheid op nul gezet. In de ProcessStateMachine wordt overgegaan naar de volgende state, if (theta_h_1_rad < home) { // wanneer dit voor beide motoren is gebeurd. motor1.write(0.6f); motor1_dir = 0; } else { motor1.write(0.6f); motor1_dir = 1; } } if (fabs(theta_h_1_rad-home)<0.02) { motor1.write(0); } if (theta_h_2_rad != home) { if (theta_h_2_rad < home) { motor2.write(0.6f); motor2_dir = 0; } else { motor2.write(0.6f); motor2_dir = 1; } } if (fabs(theta_h_2_rad-home) < 0.02) { motor2.write(0.0f); } if (fabs(theta_h_2_rad-home) < 0.02 && fabs(theta_h_1_rad-home)<0.02) { motor2.write(0.0f); motor1.write(0.0f); stateChanged = true; } } void PI_controller() // De PI-controller zorgt ervoor dat het proportionele en het integrale aandeel worden bepaald. { // Na sommatie van beide aandelen, wordt theta_t als output verkregen. Deze wordt later als input // Proportional part: // voor de motorsnelheden gebruikt. theta_k_1= Kp * error_M1; theta_k_2= Kp * error_M2; // Integral part error_integral_1 = error_integral_1+ error_M1*delta_t; error_integral_2 = error_integral_2+ error_M2*delta_t; u_i_1= Ki * error_integral_1; u_i_2= Ki * error_integral_2; // Sum all parts and return it theta_t_1= theta_k_1 + u_i_1; theta_t_2= theta_k_2 + u_i_2; } void Define_motor_dir() // Deze functie bepaalt de output richtingen die aan de motoren worden gegeven tijdens de operation mode. { if (theta_t_1 >= 0) motor1_dir = 0; else motor1_dir = 1; if (theta_t_2 >= 0) motor2_dir = 0; else motor2_dir = 1; } void Controlling_system() // Hoofdfunctie die wordt toegepast tijdens de operation mode. Een gewenste snelheid in x- en y-richting wordt { // hiervoor opgesteld en is vervolgens de input voor de inverse kinematica functie. Door middel van een gewenste Inverse_Kinematics(); // motorhoek en de actuele motorhoek wordt een error bepaald. Deze errors worden als input gebruikt voor de // PI-controller, wiens absolute output wordt gebruikt om de motorsnelheid aan te sturen. Tevens wordt een functie error_M1 = Motor_1_position - theta_h_1_rad; // aangeroepen die ervoor zorgt dat de motoren in de juiste richting gaan draaien. error_M2 = Motor_2_position - theta_h_2_rad; PI_controller(); abs_theta_t_1 = fabs(theta_t_1); abs_theta_t_2 = fabs(theta_t_2); Define_motor_dir(); motor1.write(abs_theta_t_1); motor2.write(abs_theta_t_2); } void UpdateScope() { // De gefilterde EMG-signalen kunnen tevens visueel worden weergegeven in de HIDScope //scope.set(0, normalized_EMG_biceps_right); //scope.set(1, normalized_EMG_biceps_left); //scope.set(2, normalized_EMG_calf); scope.set(0,theta_h_1_rad); scope.set(1,theta_h_2_rad); scope.set(2,theta_t_1); scope.set(3,theta_t_2); //scope.set(4,error_M1); //scope.set(5,error_M2); scope.send(); } void ProcessStateMachine() { if (calib) { EMG_calibration(); } switch(currentState) { case Motors_off: if (stateChanged) { motors_off(); // Functie waarbij motoren uitgaan. stateChanged = false; pc.printf("Motors off state\r\n"); } if (Emergency_button_pressed.read() == false) { // Normaal krijgt de button een waarde 1 bij indrukken, nu nul -> false. emergency(); // Bij het indrukken van de emergency button, wordt overgegaan op de emergency functie. } if (Power_button_pressed.read() == false) { // Normaal krijgt de button een waarde 1 bij indrukken, nu nul -> false. currentState = Calib_motor; // Er wordt doorgegaan naar de volgende state, wanneer de power button wordt ingedrukt. stateChanged = true; pc.printf("Moving to Calib_motor state\r\n"); } break; case Calib_motor: if (stateChanged) { // het huidige aantal counts. Door deze offset in de komende metingen af te trekken van het aantal counts pc.printf("Zet motoren handmatig in home positie\r\n"); // op dat moment, wordt ervoor gezorgd dat de motorhoeken in de referentiepositie gelijk zijn aan nul. stateChanged = false; } if (Emergency_button_pressed.read() == false) { emergency(); } if (Motor_calib_button_pressed.read() == false) { offset1 = counts1; offset2 = counts2; pc.printf("\r\n Offset1: %f, Offset2: %f\r\n",offset1,offset2); currentState = Calib_EMG; stateChanged = true; pc.printf("Moving to Calib_EMG state\r\n"); } break; case Calib_EMG: if (stateChanged) { // wordt doorlopen. De spieren worden tijdens de kalibratie gedurende 5 seconden maximaal aangespannen. i_calib = 0; // Na deze 5 seconden wordt doorgegaan naar de volgende state. De output van deze kalibratie is een gemiddelde calib = true; // waarde van het EMG-signaal tijdens het maximaal aanspannen. pc.printf("Span spieren aan\r\n"); stateChanged = false; } if (Emergency_button_pressed.read() == false) { emergency(); } if (i_calib > 2500) { calib = false; currentState = Homing; stateChanged = true; pc.printf("Moving to Homing state\r\n"); } break; case Homing: if (stateChanged) { stateChanged = false; } Homing_function(); if (stateChanged) { currentState = Demo; // overgegaan naar de volgende state. De eerste keer dat de ProcessStateMachine in de homing state belandt, is dit al het geval, // waardoor gelijk doorgegaan kan worden naar de operation mode. i_demo = 0.0; } break; case Demo: if (stateChanged) { stateChanged = false; } if (i_demo <= 1*main_loop_freq) { vx = 0; vy = 0; } else if (i_demo <= 5*main_loop_freq) { vx = 0.05; vy = 0; } else if (i_demo <= 7*main_loop_freq) { vx = 0; vy = 0.05; } else if (i_demo <= 8*main_loop_freq) { vx = 0.0; vy = -0.02; } else { vx = 0; vy = 0; } Controlling_system(); i_demo++; break; case Operation_mode: break; } } // State machine void main_loop() { Read_all_inputs(); ProcessStateMachine(); UpdateScope(); //SetPrevious(); } int main() { pc.baud(115200); pc.printf("\r\nStarting...\r\n\r\n"); Emergency_button_pressed.fall(&emergency); loop_ticker.attach(&main_loop,1.0/float(main_loop_freq)); Power_button_pressed.mode(PullUp); Motor_calib_button_pressed.mode(PullUp); servo_button_pressed.mode(PullUp); bqcbr.add(&bqbr1).add(&bqbr2); // high-pass filter, gevolgd door een notch filter. Na het nemen van de absolute waarde van het bewerkte EMG-signaal bqcbr2.add(&bqbr3).add(&bqbr4); // moet het tweede gedeelte van de filterketen worden toegepast. Hiervoor moeten twee low-pass filters aan elkaar // Chain voor linker biceps // geketend worden. bqcbl.add(&bqbl1).add(&bqbl2); bqcbl2.add(&bqbl3).add(&bqbl4); // Chain voor kuit bqck.add(&bqk1).add(&bqk2); bqck2.add(&bqk3).add(&bqk4); motor1.period(1.0/float(PWMfreq)); motor2.period(1.0/float(PWMfreq)); while (true) { } }