【CW32开发】初探四足机器人

一、认识机器人

机器人是一种自动执行任务的机器，它可以模拟人类或其它生物的某些功能，并按照预设的程序或通过人工智能技术来执行任务。

常见的一些基本概念有：

01定义：

机器人是具有感知、决策和执行功能的自动化设备。它可以接受外部信息，进行处理，并据此执行一定的动作。

02组成：

感知系统：如摄像头、传感器等，用于接收外部信息。

控制系统：如电脑、单片机等，用于处理信息和做出决策。

执行系统：如机械臂、驱动器等，用于执行具体的动作。

03分类：

工业机器人：用于制造业，如焊接、组装、搬运等。

服务机器人：用于服务业，如医疗、清洁、娱乐等。

特种机器人：用于特殊环境，如深海探测、空间探测等。

04关键技术：

驱动技术：包括电动、液压、气动等驱动方式。

感知技术：包括视觉、触觉、听觉等多种感知方式。

导航与定位技术：如GPS、激光导航、惯性导航等。

05人工智能：

使机器人具备自主学习、推理和决策的能力。

06应用领域：

机器人广泛应用于制造业、医疗、家政、军事、农业、教育等多个领域。

二、初探CW32的四足机器人控制（用于玩和学习）

本项目使用8自由度舵机控制的四足机器人。主要用于爱好者学习参考。可实现基本控制姿态：前进、左转、右转、打滑、伸展、站立、躺平、摆手。有兴趣的朋友，也可以增加新步态控制。

01硬件组成

（1）主控原理图

其中MCU核心板，选用CW32F030C8T6核心板。

主要使用CW32F030C8T6以下产品特性：

• 内核：ARM® Cortex®-M0+ -- 最高主频 64MHz
• 工作温度：-40℃ 至 105℃；工作电压：1.65V 至 5.5V
• 存储容量

最大 64K 字节 FLASH，数据保持 25 年 @85℃

最大 8K 字节 RAM，支持奇偶校验

128 字节 OTP 存储器

• 时钟管理

4 ~ 32MHz 晶体振荡器

32kHz 低速晶体振荡器

内置 48MHz RC 振荡器

内置 32kHz RC 振荡器

内置 10kHz RC 振荡器

内置 150kHz RC 振荡器

内置 PLL 锁相环

时钟监测系统

允许独立关断各外设时钟

• 定时器

16位高级控制定时器，支持6路捕获/比较通道和3对互补PWM输出，死区时间和灵活的同步功能

四组 16 位通用定时器

三组 16 位基本定时器

窗口看门狗定时器

独立看门狗定时器

• 通信接口

三路低功耗 UART，支持小数波特率

两路 SPI 接口 12Mbit/s

两路 I2C 接口 1Mbit/s

IR 调制器

（2）蓝牙模块

DX-BT04-E蓝牙模块：采用BK3432芯片，支持SPP V3.0+BLE V4.2蓝牙协议。支持AT指令，用户可根据需要更改串口波特率、设备名称等参数。具有成本低、功耗低、接收灵敏高等优点。

DX-BT04-E模块与单片机连线 ：

GND	GND
5V	5V
TXD	PA10
RXD	PA9

蓝牙APP安卓手机APP，可扫描下载。

IOS测试APP，请在苹果商城下载DX-SMART。

使用时，打开手机蓝牙助手应用DX-SMART，设置UUID为BT16模块，搜索蓝牙设备连接BT04-E设备。

正常通讯界面如下：

温馨提示：使用其它蓝牙模块时，注意2个问题：

1. 波特率设置时，蓝牙模块需与单片机相符。

2. 如果搜索不到设备，或Service失败时，需指定正确的UUID，方可通讯。

（3）舵机控制

舵机是运动控制的主要执行机构。价格便宜，随处可见。值得注意的是，就是因为便宜，堵转过载时容易损坏。

本项目实验时，也是随机找了几个舵机，没有作区分使用。

SG90舵机目前在高档遥控玩具，如航模、包括飞机模型、潜艇模型、遥控机器人中已经使用得比较普遍。

SG90舵机上有三根线，分别是GND（棕色线）、VCC（红色线 接5V）和SIG（黄色线），也就是地线、电源线和信号线。

SG90舵机控制: 一般需要一个20ms 周期的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分对应0度-180度机械周期的调节范围。以180 度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：

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。本实验使用的舵机配套的塑料齿。淘宝各卖家没有提供具体齿数。

作者认为，这个控制精度在玩具类应用上没有特别高要求。但需要明白这个角度控制精度为360度/齿数。

（4）结构安装

该项目使用8个舵机。编号定义分别为①~⑧。

安装后的实物图如下：

引脚定义如下：

在脚角安装时，舵机的控制角度范围需要测试并确定。以下图为例，展示了①-④号舵机的角度限制范围：

程序中需要对每个舵机的旋转角度范围做限制，才可输出。否则，电机在旋转时，受死角影响发生过载易产生损坏。

02 软件组成

（1）使用的外设资源

（一）CW32F030内部集成4 个通用定时器(GTIM)，每个GTIM 完全独立且功能完全相同，各包含一个16bit 自动重装载计数器并由一个可编程预分频器驱动。GTIM 支持定时器模式、计数器模式、触发启动模式和门控模式4 种基本工作模式，每组带4 路独立的捕获/ 比较通道，可以测量输入信号的脉冲宽度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和PWM）。

项目中使用了通用定时器GTIM1GTIM2的PWM输出功能。

（二）CW32F030的通用异步收发器(UART) 支持异步全双工、同步半双工和单线半双工模式，支持硬件数据流控和多机通信；可编程数据帧结构；可以通过小数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。UART 控制器工作在双时钟域下，允许在深度休眠模式下进行数据的接收，接收完成中断可以唤醒MCU 回到运行模式。

项目中使用了串口UART3外设资源。

（2）主要实现代码

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')//摆手
           { 
            baishou();
           }
          if(RxDate == 'd')//摇摆
           { 
             yaobai();
             Delay_ms(500);
             yaobai(); 
             Delay_ms(500);
           }
           if(RxDate == 'e')//左转
           {
             zhanli();
             Delay_ms(1000);
             zhanli2();
             Delay_ms(1000);
             zuozhuan();
             Delay_ms(1000);
             zuozhuan();
           }
           if(RxDate == 'f')//打滑
           { 
              dahua();
              dahua();
           }
           if(RxDate == 'g')//前进
           { 
              zhanli();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
              Delay_ms(200);
              qianjin();
           }
           if(RxDate == 'h')//右转
           { 
             youzhuan();
             youzhuan();
             youzhuan();
           }
      UART_Flag=0;
        }
    }
}

蓝牙串口中断：

void UART3_IRQHandler(void)//串口3中断服务函数
{ 
    if (USART_GetITStatus(CW_UART3, USART_IT_RC) != RESET)//如果接受到了消息
    {
        RxDate = USART_ReceiveData_8bit(CW_UART3);//将寄存器的数据转存在TxRxBuffer
        UART_Flag=1;
        USART_SendData_8bit(CW_UART3, RxDate);//将收到的消息发回给串口        
        USART_ClearITPendingBit(CW_UART3, USART_IT_RC);
    }
}

 /*复位或躺平姿态*/
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);  
}

舵机角度限制，并输出控制。

void Servo_SetAngle(float Angle)
{
  
  if(Angle< 10)Angle=10;
  if(Angle >135)Angle=135;
  
  PWM_SetCompare1(Angle / 180 * 2000 + 500);
}
void Servo_SetAngle2(float Angle)
{
  
  if(Angle< 45)Angle=45;
  if(Angle >170)Angle=170;
  PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle3(float Angle)
{
  
  if(Angle< 45)Angle=45;
  PWM_SetCompare3(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle4(float Angle)
{
  
  if(Angle >135)Angle=135;
  PWM_SetCompare4(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle5(float Angle)
{
  
  if(Angle< 50)Angle=50;
  PWM_SetCompare5(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

void Servo_SetAngle6(float Angle)
{
  
  if(Angle >130)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< 50)Angle=50;
  PWM_SetCompare8(Angle / 180 * 2000 + 500);
}

通用定时器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时钟使能
    __RCC_GTIM2_CLK_ENABLE();   // GTIM1时钟使能
    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、展望与未来

由于该项目为初探控机器人控制，使用的是现有硬件资源进行组装调试。后期有机会可以设计一款小巧控制板，装入结构中心，形成独立机器人。

另外，姿态控制算法在本实验中并未提及，数学基础较好的爱好者可作深入研究。

本次项目为作者初次尝试，如有不足之处，欢迎批评指证。