迷你四足机器人制作_从0到1_stm32f103c8t6 pca9685

前言

本文基于STM32F103C8T6作为主控，实现单腿二自由度的舵机驱动小四足；详细介绍了从 简单原理 到 硬件组成 到 代码实现 各个部分。
楼主认为非常适合作为单片机入门的项目，既可简单实现，也可在此基础上开发更多功能，也能跑实时操作系统；既可不用深究原理就实现一个小机器人的开发，也可对其硬件驱动原理、控制方法进行深入的学习与理解。

• 用到的软件：keil、STM32CubeMX
• 用到的硬件：
  • 主控 STM32F103C8T6
  • 舵机控制板 PCA9685
  • 8个MG90S舵机
  • 蓝牙模块HC-05
  • 12V电源、DC线开关、降压板
  • jlink下载线

整机方案

一、结构设计

本文结构是直接嫖来的，可在B站搜索黑人黑科技-蠢萌四足机器人，楼主懒得去量尺寸一步步画了，只是修改了外观，让它更像狗狗一些；大家也可以按照黑人黑科技的实现方案来做（有开源源码和图纸）；不过楼主会介绍的更详细，而且提供评论区答疑服务，欢迎交流；
事实证明，直接拿来的东西很难不出问题，还是建议大家对关键部位（转轴连接处、走线）等仔细审查一下，确保安装的时候稳定可靠，有精力自己设计更好。
楼主改动之后长下图这样：

零部件皆为3D打印，转轴处将轴承改为了3D打印的尼龙轴套，整体连接多为自攻螺丝（足端与膝关节舵机的连接用的3根M2长22mm的螺栓），结构更紧凑，不过还是改为螺栓螺母会更可靠一些

效果视频：

二、主要模块

2.1 主控 STM32103C8T6

STM32是小四足的核心模块，靠它给各个模块发指令，让机器人动起来；如果没有用过单片机，可以简单学习一下C语言和单片机；推荐下方视频，只看C语言和单片机部分就足以完成本文项目；
嵌入式开发系统学习路线

开发过程中可以用STM32CubeMX快速搭建工程；
楼主就不带着一步步做了，不然太长得录视频了，可以点击下方使用STM32定时器实现PWM输出控制舵机转动的例子，看一下如何用STM32CubeMX快速搭建工程进行硬件驱动，本文所使用的舵机也是下方链接中使用的MG90S。
STM32控制舵机转动_从0到1

2.2 舵机控制板 PCA9685

驱动舵机可以使用STM32定时器控制输出PWM，如上面链接中介绍的；本文要同时驱动四条腿八个舵机（MG90S）完成四足的基础运动，因此外接舵机控制板会更方便且高效且优雅；

PCA9685是16路12位PWM信号发生器，可用于控制舵机、led、电机等设备，I2C通信，节省主机资源。
如何使用STM32CubeMX搭建I2C驱动程序，先码着，后面如果有需要再补上；

将PCA9685通过I2C挂载到STM32F103C8T6，编写好PCA9685的驱动程序，即可控制输出16路周期和占空比均可调的PWM，进而控制16路舵机按照想要的方式运动，楼主学习时参考的博文找不到了，下面贴出我工程里使用的PCA9685驱动程序；

pca9685.h

#ifndef _PCA9685_H
#define _PCA9685_H
#include "i2c.h"

#define uint8 unsigned char
#define uint16 unsigned int
#define uint32 unsigned long
	
#define PCA9685_SUBADR1 0x2 
#define PCA9685_SUBADR2 0x3 
#define PCA9685_SUBADR3 0x4 

#define LED0_ON_L 0x6 
#define LED0_ON_H 0x7 
#define LED0_OFF_L 0x8 
#define LED0_OFF_H 0x9 
#define ALLLED_ON_L 0xFA 
#define ALLLED_ON_H 0xFB 
#define ALLLED_OFF_L 0xFC 
#define ALLLED_OFF_H 0xFD 

#define PCA9685_MODE1 0x0
#define PCA9685_PRESCALE 0xFE 
#define PCA9685_adrr 0x80

void PCA9685_Reset(void);
void PCA9685_Go(void);
void SetPWMFreq(float freq);
void SetPWM(uint32_t num,uint32_t on,uint32_t off);
uint8_t PCA9685_read(uint8_t startAddress);
void PCA9685_write(uint8_t startAddress, uint8_t buffer);

#endif

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pca9685.c

#include "pca9685.h"
#include "i2c.h"
#include "math.h"

void PCA9685_Reset()
{
    PCA9685_write(PCA9685_MODE1,0x00);
}

void PCA9685_Go()
{
    PCA9685_Reset();
}
void SetPWMFreq(float freq)
{
		//calc prescale
    uint32_t prescale,oldmode,newmode;
    float prescaleval;
    freq *= 0.92;  // Correct for overshoot in the frequency setting 
    prescaleval = 25000000;
    prescaleval /= 4096; //12 bit accuracy
    prescaleval /= freq;
    prescaleval -= 1;
    prescale = floor(prescaleval + 0.5);

		//set prescale
    oldmode = PCA9685_read(PCA9685_MODE1);
    newmode = (oldmode&0x7F) | 0x10; // sleep
    PCA9685_write(PCA9685_MODE1, newmode); // go to sleep
    PCA9685_write(PCA9685_PRESCALE, prescale); // set the prescaler
    PCA9685_write(PCA9685_MODE1, oldmode);
		HAL_Delay(2);
    PCA9685_write(PCA9685_MODE1, oldmode | 0xa1);

}
void SetPWM(uint32_t num,uint32_t on,uint32_t off)
{
    PCA9685_write(LED0_ON_L+4*num,on);
    PCA9685_write(LED0_ON_H+4*num,on>>8);
    PCA9685_write(LED0_OFF_L+4*num,off);
    PCA9685_write(LED0_OFF_H+4*num,off>>8);
}

void PCA9685_write(uint8_t startAddress, uint8_t buffer) {
    //Send address to start reading from.
    uint8_t tx[2];
    tx[0]=startAddress;
    tx[1]=buffer;
	
    HAL_I2C_Master_Transmit(&hi2c1,PCA9685_adrr, tx,2,10000);
}
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然后还在mian程序中调用PCA9685_Go()函数，即可对pca9685进行读写操作，输出PWM，控制舵机转动；

2.3 蓝牙模块HC-05

蓝牙模块主要是实现遥控功能，从手机端发消息，控制四足运动、停止。
本文使用蓝牙模块HC-05接收手机发送的数据，手机下载蓝牙调试APP（从应用商店里下载几个，挑一个顺眼的就行）。
HC-05通过UART串口将数据发送给STM32f103c8t8，STM32判断接收到的数据，进而控制小四足的不同运动状态；

HC-05的使用可以参考以下链接：
HC-05蓝牙串口通信模块使用详解

HC-05配置好后，接收到手机发送的数据，会自动转发给STM32，不过需先配置后STM32的UART串口模块；这里使用STM32CubeMX搭建UART串口驱动程序，使用UART中断接收，在回调函数里，判断数据，进行下一步操作；

STM32CubeMX搭建UART串口驱动程序也先码着，有需要再贴出详细步骤；

2.4 陀螺仪MPU6050

先码着；

三、供电方案

稳定的供电系统是机器人能正常工作/工作好的重要基础，楼主在做小四足的过程中才渐渐意识到硬件各部分的重要性所在，以小见大，一个开发智能产品的公司，是需要专业的电源系统开发人员的。

3.1 电源&开关

如图，选择上图电源，楼主选择的是12V 3000mAh锂电池，当然还需要一个开关，控制整个电路的通断，如下图所示，电池接DC开关，再接稳压板，稳压板给STM32F103和PCA9685供电。

3.2 稳压板

楼主在开发过程中，使用上图所示的降压板，DC接口12V输入，三路输出12V、5V、5V（USB）：

• 5V输出给PCA9685驱动电路供电，驱动8路舵机运转。
• 5V（USB）输出给STM32F103供电，同时由于STM32与舵机PCA9685控制电路VCC相连，自然也给PCA9685控制电路供电。

四、功能实现

上述步骤中，已经搭建好了小四足的硬件平台，完成了各模块的驱动程序；如果都能运行正常，下面就开始写小四足的控制程序；写之前先看一下四足运动的简单分析，下方链接：
蜘蛛型小四足机器人运动分析
下面就把链接中的介绍代码实现一下，程序就先不贴出来了，后面有时间把工程整合优化后再贴出来详细介绍，可以访问最下方链接下载整个工程的源码（源码可以实现四足的行走）；

4.1 前进

4.2 旋转

4.3 姿态调整

五、源码

GitHub：Mini_Quadruped_robot
百度网盘：Mini_Quadruped_robot，提取码：robo