SLAM+语音机器人DIY系列：（四）差分底盘设计——1.stm32主控硬件设计

摘要

运动底盘是移动机器人的重要组成部分，不像激光雷达、IMU、麦克风、音响、摄像头这些通用部件可以直接买到，很难买到通用的底盘。一方面是因为底盘的尺寸结构和参数是要与具体机器人匹配的；另一方面是因为底盘包含软硬件整套解决方案，是很多机器人公司的核心技术，一般不会随便公开。出于强烈的求知欲与学习热情，我想自己DIY一整套两轮差分底盘，并且将完整的设计过程公开出去供大家学习。说干就干，本章节主要内容：

1.stm32主控硬件设计

2.stm32主控软件设计

3.底盘通信协议

4.底盘ROS驱动开发

5.底盘PID控制参数整定

6.底盘里程计标

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1.stm32主控硬件设计

完整的stm32主控硬件包括：带霍尔编码器的直流减速电机、电机驱动、stm32单片机开发板等配件。

1.1.带霍尔编码器的直流减速电机

（图1）带霍尔编码器的直流减速电机

要制作一台机器人底盘，需要一套完整的电机部件，就如图1中看到的一样，需要有轮胎、联轴器、减速箱、电机和编码器，具体选型可以参考这几个方面的因素：

轮胎：直径越大，小车的越障能力越好，但会降低小车爬坡的马力；

联轴器：选择跟轮胎与电机输出轴尺寸相匹配的型号；

减速箱：减速比决定电机输出轴的扭矩，减速比越大，输出轴扭矩越大，但输出轴转速越慢；

电机：一般是12V的电机，直流有刷简单易控制；

编码器：一般为增量式正交编码器，编码线数根据实际需要精度进行选择。

（图2）电机接线端口

如图2，可以清楚的看到电机的接线端口，其实电路板上也是有丝印标注的。接线分为两类，一类是电机控制（电机线+、电机线-），另一类是编码器（编码器5V、编码器A相、编码器B相、编码器GND）。

1.2.电机驱动电路

（图3）TB6612FNG电机驱动

了解了电机的构造知识后，就来介绍一下如何将电机驱动起来。如图3所示，TB6612FNG是很流行的一款电机驱动芯片，相比于传统的L298N效率上提升很多，而且体积大幅减小。TB6612FNG是双驱动，也就是可以驱动两个电机；TB6612FNG每通道输出最高1.2 A的连续驱动电流，启动峰值电流达2A/3.2 A（连续脉冲/单脉冲）；4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止；PWM支持频率高达100 kHz。

（图4）TB6612FNG引脚定义

TB6612FNG的引脚定义，如图4所示，引脚分为电源脚、控制输入脚、控制输出脚。

VM：为电机驱动电压，根据实际电机额定电压选择，推荐使用12V供电；

VCC：逻辑电源供电，推荐使用5V供电；

STBY：待机/工作状态切换，低电平待机，高电平工作；

PWMA：A端口电机PWM调速信号输入；

AIN1和AIN2：A电机转向控制信号输入；

PWMB：B端口电机PWM调速信号输入；

BIN1和BIN2：B电机转向控制信号输入；

AO1和AO2：A端口电机驱动信号输出；

BO1和BO2：B端口电机驱动信号输出。

（图5）TB6612FNG控制信号真值表

最后，我们来看一下控制信号的逻辑真值表，如图5，输入由单片机IO口给定，再结合PWM信号，便可以实现对电机的正/反转和调速控制了。由于两路电机控制是一模一样的，所以另一路控制信号的逻辑真值表就不重复赘述了。

1.3.霍尔正交编码器原理

（图6）霍尔正交编码器原理

如果两个信号相位相差90度，则这两个信号称为正交。由于两个信号相位相差90度，因此可以根据两个信号哪个先哪个后来判断方向。利用单片机的IO口对编码器的A、B相进行捕获，很容易得到电机的转速和转向。霍尔正交编码器原理，如图6。

1.4.stm32单片机最小系统

stm32单片机常用的型号是stm32f103，根据具体需求的Flash容量、RAM容量、IO口数量进行选择，下面是常用的一些型号参数对比，如图7。

（图7）stm32f103系列单片机参数对比

考虑到stm32主控只是用于两个电机的控制，资源开销不算大，需要用到的IO口也不是很多，定时器资源也不多，出于性价比考虑推荐stm32f103c8t6这个型号。

（图8）stm32f103f103c8t6最小系统板

如图8所示，stm32f103c8t6最小系统板比较简洁，控制两个电动机，只需要用两个IO口输出2路PWM分别给两个电机调速，用4个IO口分别控制两个电机的方向，另外4个IO口分别接两个电机的正交编码器输入，UART1与UART2跟上位机连接分别用于程序debug与上层指令控制。

1.5.stm32主控硬件整体框图

第一个版本的硬件电路是用飞线连接的各个模块，电路稳定性很差，而且外观极其丑陋。痛定思痛，决心老老实实设计电路板，把各模块集成到一个板子上，经过两次改板打样，终于成功了。如图9，板子简洁美观，而且接插端子布局合理，符合我一向严苛的标准。

（图9）stm32主控电路板

好了，有了这个电路板就好办多了。针对这个电路板，讲讲我的设计思路吧。首先需要设计一个电源系统，用于单片机供电、电机供电、外部设备供电，同时还要考虑电源反接、过压、短路等保护；然后需要设计一个stm32单片机最小系统电路；最后围绕stm32最小系统，需要设计电机驱动、UART转USB、编码器信号捕获这些外围电路，同时还要考虑电机堵转保护、电机对系统电源干扰等问题。逐一采坑之后，差不多就完成设计了。stm32主控硬件整体框图，如图10。

（图10）stm32主控硬件整体框图

后记

------SLAM+语音机器人DIY系列【目录】快速导览------

第1章：Linux基础

1.Linux简介

2.安装Linux发行版ubuntu系统

3.Linux命令行基础操作

第2章：ROS入门

1.ROS是什么

2.ROS系统整体架构

3.在ubuntu16.04中安装ROS kinetic

4.如何编写ROS的第一个程序hello_world

5.编写简单的消息发布器和订阅器

6.编写简单的service和client

7.理解tf的原理

8.理解roslaunch在大型项目中的作用

9.熟练使用rviz

10.在实际机器人上运行ROS高级功能预览

第3章：感知与大脑

1.ydlidar-x4激光雷达

2.带自校准九轴数据融合IMU惯性传感器

3.轮式里程计与运动控制

4.音响麦克风与摄像头

5.机器人大脑嵌入式主板性能对比

6.做一个能走路和对话的机器人

第4章：差分底盘设计

1.stm32主控硬件设计

2.stm32主控软件设计

3.底盘通信协议

4.底盘ROS驱动开发

5.底盘PID控制参数整定

6.底盘里程计标

第5章：树莓派3开发环境搭建

1.安装系统ubuntu_mate_16.04

2.安装ros-kinetic

3.装机后一些实用软件安装和系统设置

4.PC端与robot端ROS网络通信

5.Android手机端与robot端ROS网络通信

6.树莓派USB与tty串口号绑定

7.开机自启动ROS节点

第6章：SLAM建图与自主避障导航

1.在机器人上使用传感器

2.google-cartographer机器人SLAM建图

3.ros-navigation机器人自主避障导航

4.多目标点导航及任务调度

5.机器人巡航与现场监控

第7章：语音交互与自然语言处理

1.语音交互相关技术

2.机器人语音交互实现

3.自然语言处理云计算引擎

第8章：高阶拓展

1.miiboo机器人安卓手机APP开发

2.centos7下部署Django(nginx+uwsgi+django+python3)

----------------文章将持续更新，敬请关注-----------------

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