摘要

運動底盤是移動機器人的重要組成部分，不像激光雷達、IMU、麥克風、音響、攝像頭這些通用部件可以直接買到，很難買到通用的底盤。一方面是因為底盤的尺寸結構和參數是要與具體機器人匹配的；另一方面是因為底盤包含軟硬件整套解決方案，是很多機器人公司的核心技術，一般不會隨便公開。出於強烈的求知欲與學習熱情，我想自己DIY一整套兩輪差分底盤，並且將完整的設計過程公開出去供大家學習。說干就干，本章節主要內容：

1.stm32主控硬件設計

2.stm32主控軟件設計

3.底盤通信協議

4.底盤ROS驅動開發

5.底盤PID控制參數整定

6.底盤里程計標

1.stm32主控硬件設計

完整的stm32主控硬件包括：帶霍爾編碼器的直流減速電機、電機驅動、stm32單片機開發板等配件。

1.1.帶霍爾編碼器的直流減速電機

（圖1）帶霍爾編碼器的直流減速電機

要制作一台機器人底盤，需要一套完整的電機部件，就如圖1中看到的一樣，需要有輪胎、聯軸器、減速箱、電機和編碼器，具體選型可以參考這幾個方面的因素：

輪胎：直徑越大，小車的越障能力越好，但會降低小車爬坡的馬力；

聯軸器：選擇跟輪胎與電機輸出軸尺寸相匹配的型號；

減速箱：減速比決定電機輸出軸的扭矩，減速比越大，輸出軸扭矩越大，但輸出軸轉速越慢；

電機：一般是12V的電機，直流有刷簡單易控制；

編碼器：一般為增量式正交編碼器，編碼線數根據實際需要精度進行選擇。

（圖2）電機接線端口

如圖2，可以清楚的看到電機的接線端口，其實電路板上也是有絲印標注的。接線分為兩類，一類是電機控制（電機線+、電機線-），另一類是編碼器（編碼器5V、編碼器A相、編碼器B相、編碼器GND）。

1.2.電機驅動電路

（圖3）TB6612FNG電機驅動

了解了電機的構造知識后，就來介紹一下如何將電機驅動起來。如圖3所示，TB6612FNG是很流行的一款電機驅動芯片，相比於傳統的L298N效率上提升很多，而且體積大幅減小。TB6612FNG是雙驅動，也就是可以驅動兩個電機；TB6612FNG每通道輸出最高1.2 A的連續驅動電流，啟動峰值電流達2A/3.2 A（連續脈沖/單脈沖）；4種電機控制模式：正轉/反轉/制動/停止；PWM支持頻率高達100 kHz。

（圖4）TB6612FNG引腳定義

TB6612FNG的引腳定義，如圖4所示，引腳分為電源腳、控制輸入腳、控制輸出腳。

VM：為電機驅動電壓，根據實際電機額定電壓選擇，推薦使用12V供電；

VCC：邏輯電源供電，推薦使用5V供電；

STBY：待機/工作狀態切換，低電平待機，高電平工作；

PWMA：A端口電機PWM調速信號輸入；

AIN1和AIN2：A電機轉向控制信號輸入；

PWMB：B端口電機PWM調速信號輸入；

BIN1和BIN2：B電機轉向控制信號輸入；

AO1和AO2：A端口電機驅動信號輸出；

BO1和BO2：B端口電機驅動信號輸出。

（圖5）TB6612FNG控制信號真值表

最后，我們來看一下控制信號的邏輯真值表，如圖5，輸入由單片機IO口給定，再結合PWM信號，便可以實現對電機的正/反轉和調速控制了。由於兩路電機控制是一模一樣的，所以另一路控制信號的邏輯真值表就不重復贅述了。

1.3.霍爾正交編碼器原理

（圖6）霍爾正交編碼器原理

如果兩個信號相位相差90度，則這兩個信號稱為正交。由於兩個信號相位相差90度，因此可以根據兩個信號哪個先哪個后來判斷方向。利用單片機的IO口對編碼器的A、B相進行捕獲，很容易得到電機的轉速和轉向。霍爾正交編碼器原理，如圖6。

1.4.stm32單片機最小系統

stm32單片機常用的型號是stm32f103，根據具體需求的Flash容量、RAM容量、IO口數量進行選擇，下面是常用的一些型號參數對比，如圖7。

（圖7）stm32f103系列單片機參數對比

考慮到stm32主控只是用於兩個電機的控制，資源開銷不算大，需要用到的IO口也不是很多，定時器資源也不多，出於性價比考慮推薦stm32f103c8t6這個型號。

（圖8）stm32f103f103c8t6最小系統板

如圖8所示，stm32f103c8t6最小系統板比較簡潔，控制兩個電動機，只需要用兩個IO口輸出2路PWM分別給兩個電機調速，用4個IO口分別控制兩個電機的方向，另外4個IO口分別接兩個電機的正交編碼器輸入，UART1與UART2跟上位機連接分別用於程序debug與上層指令控制。

1.5.stm32主控硬件整體框圖

第一個版本的硬件電路是用飛線連接的各個模塊，電路穩定性很差，而且外觀極其丑陋。痛定思痛，決心老老實實設計電路板，把各模塊集成到一個板子上，經過兩次改板打樣，終於成功了。如圖9，板子簡潔美觀，而且接插端子布局合理，符合我一向嚴苛的標准。

（圖9）stm32主控電路板

好了，有了這個電路板就好辦多了。針對這個電路板，講講我的設計思路吧。首先需要設計一個電源系統，用於單片機供電、電機供電、外部設備供電，同時還要考慮電源反接、過壓、短路等保護；然后需要設計一個stm32單片機最小系統電路；最后圍繞stm32最小系統，需要設計電機驅動、UART轉USB、編碼器信號捕獲這些外圍電路，同時還要考慮電機堵轉保護、電機對系統電源干擾等問題。逐一采坑之后，差不多就完成設計了。stm32主控硬件整體框圖，如圖10。