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



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3TB6612FNG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4TB6612FNG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;

 

PWMAA端口电机PWM调速信号输入;

AIN1AIN2A电机转向控制信号输入;

PWMBB端口电机PWM调速信号输入;

BIN1BIN2B电机转向控制信号输入;

 

AO1AO2A端口电机驱动信号输出;

BO1BO2B端口电机驱动信号输出。

(图5TB6612FNG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AB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7stm32f103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8stm32f103f103c8t6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2PWM分别给两个电机调速,用4IO口分别控制两个电机的方向,另外4IO口分别接两个电机的正交编码器输入,UART1UART2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9stm32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、UARTUSB、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10stm32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-----------------

 

如果大家对博文的相关类容感兴趣,或有什么技术疑问,欢迎加入下面的《SLAM+语音机器人DIY》QQ技术交流群,一起讨论学习^_^

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posted @ 2019-02-19 22:32 小虎哥哥爱学习 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏