从零开始搭建ROS移动机器人系列之（三）底层控制硬件
“ 上一期讲到了机器人机械结构、外部传感器以及ROS部署载体的选择及设计，这一期讲一讲底层控制硬件部分的内容。”
目录
单片机控制芯片
电机驱动模块
电机编码器
姿态传感器
电源处理模块
到这里了，大家可能都知道了，所谓的ROS移动机器人实际上主要就包括两个核心部分，一个是上层的ROS系统，另一个是底层的运动控制，也可以称为上下位机的关系。两部分的分工分别是：ROS层负责采集外部传感器（雷达、摄像头）信号以及部署SLAM、导航避障、路径规划、机器视觉或语音识别等算法，底层运动控制层负责采集内部传感器（编码器、陀螺仪）信号以及部署运动控制算法，上下层之间通过串口通信互相发送数据信号。
画个图看一下电机驱动信号传输路线。
从图中可以看到，底层控制层起承上启下的作用，其功能可以概括为以下几点。
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通过PWM设置电机的转速；
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接收编码器测得的速度信息；
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通过PID算法控制电机的实时转速；
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接收ROS层下发的速度指令；
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向ROS层发送实时速度；
以上每一条都不是相互独立的，放到实际情况中就是这样的：机器人开机后静止，等待ROS下发的速度指令，ROS下发速度指令后，底层通过PWM设置电机转速，电机的速度不是直接可以满足这个设置值的，所以在这中间，编码器要不停的测量电机转速，计算出实际速度后，与设置速度比较，然后利用PID算法不断消除速度偏差，直至机器人速度满足设置的值，至此完成一次控制。然而，这个过程是不断进行的，所以整个机器人内部一直不停地进行这个循环，以达到实时控制的目标。
关于以上的几项内容，后续会逐个展开论述。
此外，由于ROS层需要知道机器人的航向角信息，所以需要在底层控制层增加一个姿态传感器，以获取机器人的实时航向角，也就是机器人朝向哪个角度，在后续机器人导航、路径规划等算法中需要用到这个数据。
现在先讲一下，底层控制这部分的硬件要怎么搭建。
再回顾一下最开始的整体框架图中的底层硬件部分。
再看一眼我自己弄的底层控制板。
这个控制板的底板是我自己画的，然后白嫖了嘉立创的免费打样（嘉立创每个月可以免费打样两次，板子尺寸10cm*10cm以内就可以）。
这个控制板基本上就包括了网络图里的那几部分，上面插的分别就是单片机模块、电机驱动模块、MPU6050姿态传感器、DC/DC降压模块，以及给编码器电机的xh2.54连接口，这几个是必须有的部分，其余的DC插头、按键开关、电源指示灯以及USB取电口是我自己加的，这样的话，可以用电池给这个板子供电，然后从USB口取电给树莓派供电，就不用多加一个电源给树莓派单独供电了。这个看个人选择，可以任意发挥。
下面分开说说各个模块。
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单片机控制芯片
控制芯片部分我用了一个STM32F103C8T6小系统板，板载一个CH340串口芯片，支持一键下载，方便后期烧写程序，然后这个板子上还有一个EEPROM芯片，但是在这里我们用不到这个芯片。实际上只需要一个单片机最小系统，然后用排针把IO口都引出来就行。单片机和其余模块的连接就用排针排母就可以实现。
这里用到的控制芯片其实就是单片机，至于单片机的型号怎么选，主要看你设计的机器人都有什么功能，需要用到单片机的什么外设（串口、中断、定时器、AD/DA等）、需要用多少个外设，明确了这些就可以针对性的做出选择。
打个比方，以这个差分轮式机器人来说，机器人有以下部分：
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两个编码器电机，所以得有两路PWM信号（定时器生成）+两路电机正反转逻辑信号（4个普通IO口）；
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两个编码器测速（编码器分AB两相，那就得四路编码器测速，定时器生成测速信号）；
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一个MPU6050姿态传感器，所以得有一路模拟IIC（两个普通IO口），一路外部中断；
因为stm32单片机的定时器通常可以同时输出多路信号在不同的引脚上，比如可以用一个高级定时器TIM1同时生成两路PWM信号分别给左右电机，用一个通用定时器TIM2生成两路编码器测速信号接到左电机的编码器，另一个通用定时器TIM4生成两路编码器测速信号接到右电机的编码器。这样的话，实际上我们用3个定时器就可以完成电机的pwm调速和编码器测速。然后有了调速和测速，就可以实现速度的PID控制了。具体的定时器的使用方式，可以参考STM的芯片手册和使用手册。
此外，如果你想自己设计一个全向轮的结构，就需要四个电机，然后就是上面列出来的外设翻一倍就好，如果是阿克曼结构，那你就在上面列出来的上面加一个舵机的IO口，但是姿态传感器MPU6050不用翻倍，因为不管你什么结构的机器人，你都只需要一个姿态传感器。
单片机的选择大概就是这些内容。
02
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电机驱动模块
因为单片机引脚不能直接驱动电机，所以需要电机驱动芯片，这里选择了TB6612芯片，可以驱动两路直流电机。
（忽略这个比较突兀的电解电容，这个模块买来的时候本来这个位置是一个贴片的钽电容，我接了一个12V以后，可能因为电压不稳，钽电容给炸掉了，然后我自己焊了一个普通的电解电容。）
模块原理图如下。
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VM是驱动电机的电源，接12V；
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VCC是电机控制逻辑的电源，接5V；
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PWMA和PWMB是两路电机的PWM信号接收口，接单片机的pwm信号输出口；
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AIN1、AIN2、BIN1、BIN2是电机的控制逻辑接收口，接单片机的电机控制逻辑输出口；
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AO1、AO2、BO1、BO2是电机的控制逻辑输出口，接到电机的+-两相；
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STBY是整个电机驱动芯片的使能口，高电平使能，接5V或3.3V；
电机驱动模块基本就这些。
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电机编码器
看一下编码器直流电机的图。
这个接线端子的左右两根是电机的正负线，分别接到电机驱动模块的AO1、AO2和BO1、BO2即可；然后左右的第二根是编码器的电源和地，接到VCC5V和GND即可；最里侧的两根就是编码器的AB两相了，接到单片机的编码器测速信号接收口。
04
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姿态传感器
姿态传感器选用MPU6050模块。
MPU6050集成了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，还可以外接一个三轴磁力计。陀螺仪实际上就是测量整机沿XYZ三轴的转动的角度，即俯仰角、侧倾角和航向角。我们这里实际上只用到了航向角。
关于MPU6050模块，实际上没有很多可以说了，因为芯片内部比较复杂，也没有必要搞清楚它的实际原理，会用即可。我们这里只关心他怎么接到单片机上。
看一下这个模块的引出脚分别是什么。
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VCC是电源引脚，接5V；
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SCL和SDA是IIC的时钟线和数据线，这里用单片机的普通IO生成模拟IIC信号，所以接单片机的普通IO口；
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XDA和XCL是此模块外接三轴磁力计的IIC的数据和时钟线，这里空置，不接；
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AD0脚控制此模块的IIC的地址，IIC设备有一个地址，这个引脚用一个下拉电阻接到地，即为低电平0，后续写IIC驱动的时候就把地址的这一位配置成0即可；
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INT是此模块的一个生成外部中断的引脚，接到单片机的可以接收外部中断的引脚上即可，通过定期产生外部中断保证机器正常工作；
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电源处理模块
先看一下整个系统用到几种电压，电机驱动VM需要12V，MPU6050、电机编码器、电机驱动模块的逻辑端和STBY口等需要5V，单片机需要3.3V，由于单片机系统板上已经有5V转3.3V的部分了，所以我们只需要另外加一个12V转5V的模块，把12V电源转换为5V，就可以满足电源要求了。
这个模块比较简单，就四个口，上面两个口是输入12V的正负，下面两个口是输出5V的正负。只需要把输入12V的正负接到电池的正负即可，然后就可以从输出5V的正负引到各个模块了。
12V转5V的模块网上很多，随便选一个即可。
以上，基本上就把必备的模块介绍完了。然后，就是把这几个模块按照上面所说的连接方式连接起来。
总体的接线方式就是这样。
实际上，具体怎么分配单片机的外设与各个模块的引脚，可以根据单片机的手册，对照每一个外设的引脚配置即可。这里就点到为止。
我这里画了一个底板，底板上焊上排母，然后把各个模块直接插进排母就好了。
底板大概就是这样。
焊完插接件大概是这样。
然后把各个模块都插上，就是上面一开始那样了。
到这里，差不多就把这个单片机控制板的硬件部分给搭建起来了。这部分实际上是比较关键的部分，内容有点杂乱，可能说得不是特别清楚。如果读者哪部分看得不是很明白，可以加我微信(ljk_1212)私下探讨。
今天先写到这里。后续就写写单片机控制的软件部分吧。
END