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體整套解決方案，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 ...
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體整套解決方案，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。說乾就乾，本章節主要內容：
1.stm32主控硬體設計
完整的stm32主控硬體包括：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
要製作一臺機器人底盤，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）電機接線埠
如圖2，可以清楚的看到電機的接線埠，其實電路板上也是有絲印標註的。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
瞭解了電機的構造知識後，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晶元，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（連續脈衝/單脈衝）；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埠電機PWM調速信號輸入；
AIN1和AIN2：A電機轉向控制信號輸入；
PWMB：B埠電機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埠電機驅動信號輸出；
BO1和BO2：B埠電機驅動信號輸出。
（圖5）TB6612FNG控制信號真值表
最後，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覆贅述了。
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後來判斷方向。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，下麵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式debug與上層指令控制。
1.5.stm32主控硬體整體框圖
第一個版本的硬體電路是用飛線連接的各個模塊，電路穩定性很差，而且外觀極其醜陋。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，而且接插端子佈局合理，符合我一向嚴苛的標準。
（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；然後需要設計一個stm32單片機最小系統電路；最後圍繞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。逐一採坑之後，差不多就完成設計了。stm32主控硬體整體框圖，如圖10。
（圖10）stm32主控硬體整體框圖
後記
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