【CW32開發(fā)】初探四足機(jī)器人

一、認(rèn)識(shí)機(jī)器人

機(jī)器人是一種自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)器，它可以模擬人類或其它生物的某些功能，并按照預(yù)設(shè)的程序或通過(guò)人工智能技術(shù)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。

常見的一些基本概念有：

01定義：

機(jī)器人是具有感知、決策和執(zhí)行功能的自動(dòng)化設(shè)備。它可以接受外部信息，進(jìn)行處理，并據(jù)此執(zhí)行一定的動(dòng)作。

02組成：

感知系統(tǒng)：如攝像頭、傳感器等，用于接收外部信息。

控制系統(tǒng)：如電腦、單片機(jī)等，用于處理信息和做出決策。

執(zhí)行系統(tǒng)：如機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)器等，用于執(zhí)行具體的動(dòng)作。

03分類：

工業(yè)機(jī)器人：用于制造業(yè)，如焊接、組裝、搬運(yùn)等。

服務(wù)機(jī)器人：用于服務(wù)業(yè)，如醫(yī)療、清潔、娛樂等。

特種機(jī)器人：用于特殊環(huán)境，如深海探測(cè)、空間探測(cè)等。

04關(guān)鍵技術(shù)：

驅(qū)動(dòng)技術(shù)：包括電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。

感知技術(shù)：包括視覺、觸覺、聽覺等多種感知方式。

導(dǎo)航與定位技術(shù)：如GPS、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等。

05人工智能：

使機(jī)器人具備自主學(xué)習(xí)、推理和決策的能力。

06應(yīng)用領(lǐng)域：

機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、醫(yī)療、家政、軍事、農(nóng)業(yè)、教育等多個(gè)領(lǐng)域。

二、初探CW32的四足機(jī)器人控制（用于玩和學(xué)習(xí)）

本項(xiàng)目使用8自由度舵機(jī)控制的四足機(jī)器人。主要用于愛好者學(xué)習(xí)參考?？蓪?shí)現(xiàn)基本控制姿態(tài)：前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、打滑、伸展、站立、躺平、擺手。有興趣的朋友，也可以增加新步態(tài)控制。

01硬件組成

（1）主控原理圖

其中MCU核心板，選用CW32F030C8T6核心板。

主要使用CW32F030C8T6以下產(chǎn)品特性：

• 內(nèi)核：ARM? Cortex?-M0+ -- 最高主頻 64MHz
• 工作溫度：-40℃ 至 105℃；工作電壓：1.65V 至 5.5V
• 存儲(chǔ)容量

最大 64K 字節(jié) FLASH，數(shù)據(jù)保持 25 年 @85℃

最大 8K 字節(jié) RAM，支持奇偶校驗(yàn)

128 字節(jié) OTP 存儲(chǔ)器

• 時(shí)鐘管理

4 ~ 32MHz 晶體振蕩器

32kHz 低速晶體振蕩器

內(nèi)置 48MHz RC 振蕩器

內(nèi)置 32kHz RC 振蕩器

內(nèi)置 10kHz RC 振蕩器

內(nèi)置 150kHz RC 振蕩器

內(nèi)置 PLL 鎖相環(huán)

時(shí)鐘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

允許獨(dú)立關(guān)斷各外設(shè)時(shí)鐘

• 定時(shí)器

16位高級(jí)控制定時(shí)器，支持6路捕獲/比較通道和3對(duì)互補(bǔ)PWM輸出，死區(qū)時(shí)間和靈活的同步功能

四組 16 位通用定時(shí)器

三組 16 位基本定時(shí)器

窗口看門狗定時(shí)器

獨(dú)立看門狗定時(shí)器

• 通信接口

三路低功耗 UART，支持小數(shù)波特率

兩路 SPI 接口 12Mbit/s

兩路 I2C 接口 1Mbit/s

IR 調(diào)制器

（2）藍(lán)牙模塊

DX-BT04-E藍(lán)牙模塊：采用BK3432芯片，支持SPP V3.0+BLE V4.2藍(lán)牙協(xié)議。支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱等參數(shù)。具有成本低、功耗低、接收靈敏高等優(yōu)點(diǎn)。

DX-BT04-E模塊與單片機(jī)連線 ：

藍(lán)牙APP安卓手機(jī)APP，可掃描下載。

IOS測(cè)試APP，請(qǐng)?jiān)谔O果商城下載DX-SMART。

使用時(shí)，打開手機(jī)藍(lán)牙助手應(yīng)用DX-SMART，設(shè)置UUID為BT16模塊，搜索藍(lán)牙設(shè)備連接BT04-E設(shè)備。

正常通訊界面如下：

溫馨提示：使用其它藍(lán)牙模塊時(shí)，注意2個(gè)問題：

1. 波特率設(shè)置時(shí)，藍(lán)牙模塊需與單片機(jī)相符。

2. 如果搜索不到設(shè)備，或Service失敗時(shí)，需指定正確的UUID，方可通訊。

（3）舵機(jī)控制

舵機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。價(jià)格便宜，隨處可見。值得注意的是，就是因?yàn)楸阋?，堵轉(zhuǎn)過(guò)載時(shí)容易損壞。

本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)時(shí)，也是隨機(jī)找了幾個(gè)舵機(jī)，沒有作區(qū)分使用。

SG90舵機(jī)目前在高檔遙控玩具，如航模、包括飛機(jī)模型、潛艇模型、遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。

SG90舵機(jī)上有三根線，分別是GND（棕色線）、VCC（紅色線 接5V）和SIG（黃色線），也就是地線、電源線和信號(hào)線。

SG90舵機(jī)控制: 一般需要一個(gè)20ms 周期的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms~2.5ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分對(duì)應(yīng)0度-180度機(jī)械周期的調(diào)節(jié)范圍。以180 度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：

0.5ms ---------- 0 度；

1.0ms ---------- 45 度；

1.5ms ---------- 90 度；

2.0ms ---------- 135 度；

2.5ms ---------- 180 度；

值得一提的是：控制精度。本實(shí)驗(yàn)使用的舵機(jī)配套的塑料齒。淘寶各賣家沒有提供具體齒數(shù)。

作者認(rèn)為，這個(gè)控制精度在玩具類應(yīng)用上沒有特別高要求。但需要明白這個(gè)角度控制精度為360度/齒數(shù)。

（4）結(jié)構(gòu)安裝

該項(xiàng)目使用8個(gè)舵機(jī)。編號(hào)定義分別為①~⑧。

安裝后的實(shí)物圖如下：

引腳定義如下：

在腳角安裝時(shí)，舵機(jī)的控制角度范圍需要測(cè)試并確定。以下圖為例，展示了①-④號(hào)舵機(jī)的角度限制范圍：

程序中需要對(duì)每個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度范圍做限制，才可輸出。否則，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)，受死角影響發(fā)生過(guò)載易產(chǎn)生損壞。

02 軟件組成

（1）使用的外設(shè)資源

（一）CW32F030內(nèi)部集成4 個(gè)通用定時(shí)器(GTIM)，每個(gè)GTIM 完全獨(dú)立且功能完全相同，各包含一個(gè)16bit 自動(dòng)重裝載計(jì)數(shù)器并由一個(gè)可編程預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。GTIM 支持定時(shí)器模式、計(jì)數(shù)器模式、觸發(fā)啟動(dòng)模式和門控模式4 種基本工作模式，每組帶4 路獨(dú)立的捕獲/ 比較通道，可以測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度（輸入捕獲）或者產(chǎn)生輸出波形（輸出比較和PWM）。

項(xiàng)目中使用了通用定時(shí)器GTIM1GTIM2的PWM輸出功能。

（二）CW32F030的通用異步收發(fā)器(UART) 支持異步全雙工、同步半雙工和單線半雙工模式，支持硬件數(shù)據(jù)流控和多機(jī)通信；可編程數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)；可以通過(guò)小數(shù)波特率發(fā)生器提供寬范圍的波特率選擇。UART 控制器工作在雙時(shí)鐘域下，允許在深度休眠模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，接收完成中斷可以喚醒MCU 回到運(yùn)行模式。

項(xiàng)目中使用了串口UART3外設(shè)資源。

（2）主要實(shí)現(xiàn)代碼

主程序：

int main()
{ 
  
    Board_Iint();

    USART_SendString(CW_UART3,"Power on!");
    
    fuwei2();  
    while (1)
    {       
   
      if(UART_Flag == 1)
      {     
          if(RxDate == 'a')//站立
          { 
            zhanli();
          }
          
          if(RxDate == 'b')// 躺平
          { 
            tangping();
          }   

           if(RxDate == 'c')//擺手
           { 
            baishou();
           }
          if(RxDate == 'd')//搖擺
           { 
             yaobai();
             Delay_ms(500);
             yaobai(); 
             Delay_ms(500);
           }
           if(RxDate == 'e')//左轉(zhuǎn)
           {
             zhanli();
             Delay_ms(1000);
             zhanli2();
             Delay_ms(1000);
             zuozhuan();
             Delay_ms(1000);
             zuozhuan();
           }
           if(RxDate == 'f')//打滑
           { 
              dahua();
              dahua();
           }
           if(RxDate == 'g')//前進(jìn)
           { 
              zhanli();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
           }
           if(RxDate == 'h')//右轉(zhuǎn)
           { 
             youzhuan();
             youzhuan();
             youzhuan();
           }
      UART_Flag=0;
        }
    }
}

藍(lán)牙串口中斷：

void UART3_IRQHandler(void)//串口3中斷服務(wù)函數(shù)
{ 
    if (USART_GetITStatus(CW_UART3, USART_IT_RC) != RESET)//如果接受到了消息
    {
        RxDate = USART_ReceiveData_8bit(CW_UART3);//將寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在TxRxBuffer
        UART_Flag=1;
        USART_SendData_8bit(CW_UART3, RxDate);//將收到的消息發(fā)回給串口        
        USART_ClearITPendingBit(CW_UART3, USART_IT_RC);
    }
}

 /*復(fù)位或躺平姿態(tài)*/
void fuwei2 (void){
  Servo_SetAngle(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle2(90);
   Delay_ms(500); 
   Servo_SetAngle3(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle4(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle5(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle6(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle7(90);
   Delay_ms(500);
  Servo_SetAngle8(90);
   Delay_ms(500);  
}

舵機(jī)角度限制，并輸出控制。

void Servo_SetAngle(float Angle)
{
  
  if(Angle135)Angle=135;
  
  PWM_SetCompare1(Angle / 180 * 2000 + 500);
}
void Servo_SetAngle2(float Angle)
{
  
  if(Angle170)Angle=170;
  PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle3(float Angle)
{
  
  if(Angle135)Angle=135;
  PWM_SetCompare4(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle5(float Angle)
{
  
  if(Angle130)Angle=130;
  PWM_SetCompare6(Angle / 180 * 2000 + 500);
}


void Servo_SetAngle7(float Angle)
{
  Angle=180-Angle;
  
  if(Angle>130)Angle=130;
  PWM_SetCompare7(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle8(float Angle)
{
  Angle=180-Angle;
  
  if(Angle

通用定時(shí)器GTIM控制初始化。

void GTIM_GPIOInit(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; 
    __RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    __RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pins = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
    GPIO_Init(CW_GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    PB00_AFx_GTIM1CH3();
    PB01_AFx_GTIM1CH4();
   
    GPIO_InitStruct.Pins =   GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7; 
    GPIO_Init(CW_GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    PA00_AFx_GTIM2CH1();
    PA01_AFx_GTIM2CH2();
    PA02_AFx_GTIM2CH3();
    PA03_AFx_GTIM2CH4();
    PA06_AFx_GTIM1CH1();
    PA07_AFx_GTIM1CH2();
}

void g_tim_init(void)
{
    GTIM_InitTypeDef GTIM_InitStruct ;    
    
    __RCC_GTIM1_CLK_ENABLE();   // GTIM1時(shí)鐘使能
    __RCC_GTIM2_CLK_ENABLE();   // GTIM1時(shí)鐘使能
    GTIM_GPIOInit(); 
    
    GTIM_InitStruct.Mode = GTIM_MODE_TIME;
  
    GTIM_InitStruct.OneShotMode = GTIM_COUNT_CONTINUE;
    GTIM_InitStruct.Prescaler =GTIM_PRESCALER_DIV64;          
    GTIM_InitStruct.ReloadValue =20000;   //20MS   
    GTIM_InitStruct.ToggleOutState = DISABLE;
    GTIM_TimeBaseInit(CW_GTIM1, >IM_InitStruct);
    GTIM_TimeBaseInit(CW_GTIM2, >IM_InitStruct);
  
    GTIM_OCInit(CW_GTIM1, GTIM_CHANNEL1, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM1, GTIM_CHANNEL2, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM1, GTIM_CHANNEL3, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM1, GTIM_CHANNEL4, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM2, GTIM_CHANNEL1, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM2, GTIM_CHANNEL2, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM2, GTIM_CHANNEL3, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
    GTIM_OCInit(CW_GTIM2, GTIM_CHANNEL4, GTIM_OC_OUTPUT_PWM_LOW);
     
    GTIM_Cmd(CW_GTIM1, ENABLE);
    GTIM_Cmd(CW_GTIM2, ENABLE);    
}

三、展望與未來(lái)

由于該項(xiàng)目為初探控機(jī)器人控制，使用的是現(xiàn)有硬件資源進(jìn)行組裝調(diào)試。后期有機(jī)會(huì)可以設(shè)計(jì)一款小巧控制板，裝入結(jié)構(gòu)中心，形成獨(dú)立機(jī)器人。

另外，姿態(tài)控制算法在本實(shí)驗(yàn)中并未提及，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好的愛好者可作深入研究。

本次項(xiàng)目為作者初次嘗試，如有不足之處，歡迎批評(píng)指證。