硬體詳情#
車輛控制系統的實體硬體元件與電氣規格。
PCA9685 PWM Driver#
規格：
- 型號：PCA9685 16 通道 PWM 控制器
- 介面：I2C
- I2C 位址：0x40（預設）
- I2C 匯流排：Bus 1（Jetson 上的 /dev/i2c-1）
- PWM 頻率：60 Hz（在 actuator.py 中配置）
- 解析度：12 位元（4096 步進）
通道分配： - 通道 0：電機 ESC 控制 - 通道 1：轉向伺服馬達控制 - 通道 2-15：可供擴充使用
I2C 配線：
PCA9685 Jetson/Computer
──────── ───────────────
VCC ────── 3.3V or 5V (check board)
GND ────── GND
SDA ────── I2C SDA (pin 3 on Jetson)
SCL ────── I2C SCL (pin 5 on Jetson)
電源： - 邏輯電源：3.3V 或 5V（來自電腦） - 伺服馬達電源：外部 5V 供電（V+、GND） - 重要：將外部 5V 連接至 V+ 端子以供伺服馬達使用 - 請勿從電腦的 5V 軌供電給伺服馬達（電流不足）
裝置偵測：
# Check I2C devices on bus 1
sudo i2cdetect -y 1
# Expected output:
# 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f
# 00: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
# 40: 40 -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --
權限：
將使用者加入 i2c 群組：
sudo usermod -a -G i2c $USER
# Log out and back in for changes to take effect
# Verify membership
groups $USER | grep i2c
Python 函式庫：
Actuator 節點使用 Adafruit 的 PCA9685 函式庫：
from Adafruit_PCA9685 import PCA9685
# Initialize PCA9685
pwm = PCA9685(address=0x40, busnum=1)
pwm.set_pwm_freq(60) # 60 Hz for RC servos/ESC
# Set motor PWM (channel 0)
pwm.set_pwm(0, 0, motor_pwm)
# Set steering PWM (channel 1)
pwm.set_pwm(1, 0, steering_pwm)
電機 ESC#
硬體：配備電子調速器（ESC）的無刷馬達
PWM 訊號需求： - 頻率：60 Hz（20ms 週期） - 脈衝寬度：1000-2000 μs（映射至整數值）
PWM 範圍：280-460
PWM 映射：
| PWM 值 | 功能 | 說明 |
|---|---|---|
| 280 | 最大倒車 | 最快倒車速度 |
| 340 | 緊急煞車 | 快速減速 |
| 350-369 | 倒車範圍 | 可變倒車速度 |
| 370 | 空檔/死區 | 無移動 |
| 371-400 | 前進範圍 | 可變前進速度 |
| 400-460 | 前進範圍 | 較高前進速度 |
| 460 | 最大前進 | 最快前進速度 |
典型速度與 PWM 對應（取決於車輛，需要校正）：
| PWM 值 | 近似速度 |
|---|---|
| 370 | 0.0 m/s（停止） |
| 380 | ~0.5 m/s 前進 |
| 400 | ~1.0 m/s 前進 |
| 430 | ~2.0 m/s 前進 |
| 340 | 緊急煞車 |
| 350 | ~0.5 m/s 倒車 |
| 280 | 最大倒車 |
配線：
ESC PCA9685 Motor Power
──── ─────── ───── ─────
Signal ────── Channel 0
GND ────── GND
Phase A ────── ESC A
Phase B ────── ESC B
Phase C ────── ESC C
Battery+ ──────────────────────────────────────── Battery+
Battery- ──────────────────────────────────────── Battery-/GND
電源需求： - 工作電壓：檢查 ESC 規格（例如 2S-3S LiPo，7.4V-11.1V） - 電流額定值：需與馬達規格匹配 - 安全：務必最後連接 ESC 電池，最先移除
轉向伺服馬達#
硬體：標準 RC 伺服馬達（例如 Futaba S3003）
PWM 訊號需求： - 頻率：60 Hz（在 PCA9685 中配置） - 中心：1500 μs（映射至 PWM 值 400） - 範圍：1000-2000 μs（映射至 PWM 值 350-450）
PWM 範圍：350-450
PWM 映射：
| PWM 值 | 轉向位置 | 近似角度 |
|---|---|---|
| 350 | 最大左轉 | -20° |
| 375 | 左轉 | -10° |
| 400 | 中心（直行） | 0° |
| 425 | 右轉 | +10° |
| 450 | 最大右轉 | +20° |
最大轉向角度：0.349 rad ≈ 20°（來自 vehicle_info.param.yaml）
配線：
Servo PCA9685 External Power
───── ─────── ──────────────
Signal (white) Channel 1
Power (red) 5V supply+
Ground (black) GND 5V supply-/GND
電源需求： - 工作電壓：4.8V - 6.0V（標準伺服馬達的典型值） - 電流消耗：0.5A - 1.5A（取決於負載與速度） - 重要：使用獨立的 5V 電源供應給伺服馬達 - 伺服馬達在運動時會消耗高電流 - 電源不足會導致抖動或無法回應
實體安裝： - 將伺服馬達固定在底盤上 - 將伺服馬達臂連接至轉向連桿 - 確保全範圍運動（350-450 PWM）不會卡住 - 在連接連桿前，先將伺服馬達置於 PWM 400 的中心位置
霍爾效應感測器（速度感測）#
硬體：KY-003 霍爾效應磁性感測器模組
用途：偵測輪胎旋轉以測量速度
規格： - 類型：數位霍爾效應感測器 - 輸出：偵測到磁鐵時產生數位脈衝（HIGH/LOW） - 工作電壓：3.3V - 5V - 工作電流：~5mA - 偵測範圍：距磁鐵 <5mm - LED 指示燈：偵測到磁鐵時板上 LED 閃爍
GPIO 連接：
KY-003 Jetson/Computer
────── ───────────────
VCC ────── 5V or 3.3V
GND ────── GND
Signal ────── GPIO pin (configured in velocity_report.yaml)
GPIO 配置範例：
磁鐵設定：
- 磁鐵：小型釹磁鐵（例如 5mm 直徑）
- 數量：4 個磁鐵（可透過 markers_per_rotation 參數配置）
- 位置：均勻分布在輪圈周圍
- 間隙：感測器到磁鐵距離 < 5mm 以確保可靠偵測
- 極性：北極或南極面向感測器（一致的方向）
實體安裝：
-
安裝感測器：
- 將 KY-003 感測器固定在底盤上靠近輪胎處
- 將感測器定位在距輪圈 <5mm 處
- 確保感測器在旋轉時不會接觸輪胎
-
貼附磁鐵：
- 清潔輪圈表面
- 均勻分布磁鐵（360° / markers_per_rotation）
- 使用黏著劑（例如強力膠）固定磁鐵
- 驗證磁鐵對齊感測器路徑
-
測試偵測：
- 用手慢慢旋轉輪胎
- KY-003 上的 LED 應該在每個磁鐵經過時閃爍
- 若 LED 不閃爍，調整感測器位置或間隙
上拉電阻：
某些感測器可能需要在訊號線上使用上拉電阻：
# Enable internal pull-up on GPIO pin (if needed)
# This is typically configured in GPIO library initialization
配線注意事項： - 若線材長度 > 30cm，使用遮蔽電纜（減少雜訊） - 將感測器電纜遠離電機/ESC 電線（EMI） - 使用熱縮管或電工膠帶固定連接處
IMU 感測器（用於轉向回饋）#
用途：為轉向回饋控制提供偏航率測量
介面：ROS 主題 /sensing/imu/imu_data
在控制中的角色： - **正常模式**轉向控制（v ≥ 0.3 m/s）需要 IMU - 提供測量到的偏航率（繞 Z 軸的角速度） - 啟用閉迴路回饋以補償干擾
不需要 IMU 的情況： - **後備模式**轉向（v < 0.3 m/s） - 低速時的開迴路前饋控制
典型 IMU 類型： - MPU9250（I2C/SPI） - ZED 相機內建 IMU - 其他 6 自由度或 9 自由度 IMU
IMU 設定請參閱感測器整合指南。
配線摘要#
完整配線圖#
┌─────────────────┐
│ Computer/Jetson│
│ │
│ GPIO 17 ───────┼──→ Hall Effect Sensor
│ I2C SDA ───────┼──→ PCA9685 SDA
│ I2C SCL ───────┼──→ PCA9685 SCL
│ GND ───────────┼──→ Common GND
└─────────────────┘
│
│ I2C
↓
┌─────────────────┐
│ PCA9685 │
│ I2C: 0x40 │
│ │
│ Channel 0 ─────┼──→ Motor ESC Signal
│ Channel 1 ─────┼──→ Steering Servo Signal
│ GND ───────────┼──→ Common GND
│ V+ ────────────┼──← 5V External (for servos)
└─────────────────┘
│
┌───────┴──────────┐
│ │
↓ ↓
┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Motor ESC │ │ Servo │
│ │ │ │
│ Battery+ ──┼──← Battery+ │ Power ──← 5V Ext
│ Battery- ──┼──→ Common GND │ GND ────→ Common GND
│ │ │ │
│ Motor A ───┼──→ Brushless │
│ Motor B ───┼──→ Motor │
│ Motor C ───┼──→ │
└─────────────┘ └─────────────┘
連接表#
| 元件 | 連接至 | 腳位/通道 | 備註 |
|---|---|---|---|
| PCA9685 SDA | Computer I2C SDA | Pin 3 (Jetson) | I2C 資料 |
| PCA9685 SCL | Computer I2C SCL | Pin 5 (Jetson) | I2C 時脈 |
| PCA9685 VCC | 3.3V or 5V | 邏輯電源 | |
| PCA9685 V+ | 5V external | 2A+ capacity | 伺服馬達電源供應 |
| PCA9685 GND | Common GND | 接地參考 | |
| PCA9685 Ch 0 | ESC Signal | 電機控制 PWM | |
| PCA9685 Ch 1 | Servo Signal | 轉向控制 PWM | |
| Hall Effect VCC | 5V or 3.3V | 感測器電源 | |
| Hall Effect GND | Common GND | ||
| Hall Effect Signal | GPIO 17 | BCM numbering | 可配置 |
| ESC Battery+ | Battery+ | 7.4V-11.1V | 電機電源（檢查 ESC 額定值） |
| ESC Battery- | Common GND | ||
| Servo Power | 5V external | 1A+ capacity | 與 PCA9685 V+ 分開 |
| Servo GND | Common GND |
電源分配#
電源軌： 1. 電池電源（7.4V-11.1V）：僅供電機 ESC 使用 2. 5V 外部電源：伺服馬達與 PCA9685 V+ 3. 3.3V/5V 邏輯電源：PCA9685 VCC、霍爾效應感測器 4. 共地 GND：所有元件共用共地
電流需求： - 電機 ESC：10A-30A（取決於馬達與負載） - 轉向伺服馬達：0.5A-1.5A（運動時峰值） - PCA9685 邏輯：10mA - 霍爾效應感測器：5mA
安全注意事項： - 高電流連接（電機電池）使用適當線徑 - 在電池連接處加上保險絲（額定值比最大預期電流高 10%） - 將大電流路徑與訊號線分開以減少 EMI - 使用適當的連接器固定所有連接（避免裸線連接） - 上電前再次檢查極性
測試硬體連接#
測試 PCA9685#
# Check I2C device detection
sudo i2cdetect -y 1
# Should show device at 0x40
# Test PWM output (careful - vehicle may move!)
# Use control_test calibration mode instead of direct commands
測試霍爾效應感測器#
# Monitor velocity topic
ros2 topic echo /vehicle/status/velocity_status
# Rotate wheel by hand
# Velocity should show non-zero values as wheel rotates
# LED on KY-003 should blink as magnets pass
測試 IMU#
# Check IMU topic
ros2 topic echo /sensing/imu/imu_data
# Should see angular_velocity.z changing when vehicle rotates