STM32 RoboGame Project (Linux)

这是 USTC RoboGame 2024 冰淇凌烤布蕾队的基于 STM32 系列单片机的机器人控制系统。该项目实现了包括麦克纳姆轮底盘、机械臂、电动推杆和摩擦轮在内的完整机器人控制功能。

目录

• 项目简介
• 硬件配置
• 功能特性
• 项目结构
• 环境搭建
• 编译与烧录
• 串口通信协议
• PID 参数调试
• 许可证

项目简介

本项目是一个完整的 STM32 嵌入式机器人控制系统，主要功能包括：

• 基于麦克纳姆轮的全向移动底盘控制
• 机械臂抓取与放置控制
• 电动推杆升降控制
• 摩擦轮发射机构控制
• 基于 PID 的电机速度闭环控制
• 串口指令解析与执行

硬件配置

主控制器

• MCU: STM32F407ZGTx (Cortex-M4, 168MHz)
• Flash: 1MB
• RAM: 192KB
• FPU: 硬件浮点单元 (FPV4-SP-D16)

电机系统

• 数量: 3 个带编码器的直流减速电机 (X, Y, Z 轴)
• 编码器分辨率: 500 线 (四倍频 2000 CPR)
• 减速比: 1:27
• 控制方式: PWM + 方向控制 + 编码器反馈
• 轮子周长: 398.98 mm

执行机构

• 机械臂: 4 自由度舵机控制 (下抓、上抓、上放、下放)
• 电动推杆: 双向驱动控制
• 摩擦轮: PWM 调速控制

接口

• 控制接口: UART 串口通信
• 调试/编程接口: SWD

功能特性

1. 全向移动控制

• 支持三轴独立速度控制
• PID 闭环速度控制，精确调速
• 实时速度反馈 (基于编码器)
• 速度范围: ±2000 (PWM 占空比单位)

2. 机械臂控制

• 预定义动作:
  • arm_reset(): 复位到初始位置
  • arm_down_open(): 下降并打开爪子
  • arm_down_close(): 下降并关闭爪子
  • arm_up_close(): 上升并保持关闭
  • arm_up_open(): 上升并打开爪子
  • arm_pick(): 完整抓取流程
  • arm_place(): 完整放置流程

3. 发射机构

• 电动推杆控制发射角度
• 摩擦轮提供发射动力
• 支持自动发射流程

4. PID 控制系统

• 三轴独立 PID 控制器
• 支持在线参数调整
• 10Hz 控制频率 (100ms 周期)
• 实时速度反馈与调节

项目结构

stm32-robogame-project-linux/
├── Makefile                    # 编译配置文件
├── LICENSE                     # MIT 许可证
├── startup_stm32f407xx.s      # 启动文件
├── stm32f407zgtx_flash.ld     # 链接脚本
├── compile_commands.json       # C/C++ 智能提示配置
├── User/                       # 用户代码
│   ├── Inc/
│   │   ├── stm32f4xx_hal_conf.h   # HAL 库配置
│   │   └── stm32f4xx_it.h         # 中断处理
│   └── Src/
│       ├── main.c                  # 主程序
│       └── stm32f4xx_it.c          # 中断实现
├── Drivers/
│   ├── BSP/                    # 板级支持包
│   │   ├── Inc/
│   │   │   ├── arm.h          # 机械臂控制
│   │   │   ├── motor.h        # 电机驱动
│   │   │   ├── mctrl.h        # 电机 PID 控制
│   │   │   ├── wheel.h        # 摩擦轮控制
│   │   │   ├── lifter.h       # 推杆控制
│   │   │   ├── serial.h       # 串口通信
│   │   │   ├── led.h          # LED 指示
│   │   │   └── callback.h     # 回调函数
│   │   └── Src/               # BSP 实现文件
│   ├── CMSIS/                 # ARM CMSIS 库
│   ├── STM32F4xx_HAL_Driver/  # STM32 HAL 库
│   └── SYSTEM/                # 系统级驱动
└── Middlewares/               # 中间件

环境搭建

Linux 开发环境

必需工具

Arch Linux:

# 安装 ARM GCC 工具链和 newlib
sudo pacman -Sy arm-none-eabi-gcc arm-none-eabi-newlib

# 安装 Make 工具
sudo pacman -S make

# 安装 PyOCD (用于烧录和调试)
pip install pyocd

Debian/Ubuntu:

# 安装 ARM GCC 工具链
sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

# 安装 Make 工具
sudo apt-get install make

# 安装 PyOCD (用于烧录和调试)
pip install pyocd

验证安装

arm-none-eabi-gcc --version
make --version
pyocd --version

硬件连接

1. 通过 SWD 接口连接调试器 (ST-Link/J-Link/DAPLink)
2. 连接串口至 PC (用于调试和指令发送)
3. 确保电源供电充足

编译与烧录

编译项目

# 清理旧的编译文件
make clean

# 编译项目
make

# 编译成功后会生成:
# - build/target.elf (带调试信息)
# - build/target.hex (HEX 格式)
# - build/target.bin (二进制格式)

烧录程序

# 烧录二进制文件到芯片
make load

# 或使用 pyocd 手动烧录
pyocd load -t stm32f407zgtx build/target.bin

擦除芯片

make erase

编译选项

可以在 Makefile 中修改：

• DEBUG = 1: 启用调试信息
• OPT = -Og: 优化级别 (调试用 -Og，发布用 -O2/-O3)

串口通信协议

通信参数

• 波特率: 115200
• 数据位: 8
• 停止位: 1
• 校验位: 无
• 流控: 无

指令格式

指令采用文本格式，以冒号 : 分隔参数，以换行符结束。

响应码

• RDY - 系统就绪
• YYY - 指令执行成功
• HHH - 中间状态提示
• NNN - 指令执行失败

支持的指令

1. 复位指令

RST

动作：

• 停止所有电机
• 机械臂复位
• 关闭摩擦轮

2. 机械臂控制指令

简单动作

ARM:<group>

参数说明：

• 0: 复位
• 1: 下降并打开
• 2: 下降并关闭
• 3: 上升并保持关闭
• 4: 上升并打开

示例：

ARM:1    # 机械臂下降并打开

复杂动作

PIC:<part>

参数说明：

• 1: 仅执行抓取动作
• 2: 仅执行放置动作
• 3: 仅复位
• 其他: 完整抓取-放置流程

示例：

PIC:0    # 完整流程
PIC:1    # 仅抓取

3. 电机速度控制指令

MTR:<speedx>:<speedy>:<speedz>

参数说明：

• speedx: X 轴速度 (-2000 ~ 2000)
• speedy: Y 轴速度 (-2000 ~ 2000)
• speedz: Z 轴速度 (-2000 ~ 2000)

示例：

MTR:1000:500:-800    # X轴1000，Y轴500，Z轴-800
MTR:0:0:0            # 停止所有电机

5. 发射控制

THR:<stage>

参数说明：

• 1: 推杆上升准备
• 2: 完整发射流程 (摩擦轮+推杆)

示例：

THR:2    # 执行发射

6. PID 参数设置

SET:<motor>:<param>:<value>

参数说明：

• motor: 电机编号 (1=X轴, 2=Y轴, 3=Z轴)
• param: 参数类型 (1=Kp, 2=Ki, 3=Kd)
• value: 参数值 (浮点数)

示例：

SET:1:1:2.5     # 设置 X 轴 Kp = 2.5
SET:2:2:0.1     # 设置 Y 轴 Ki = 0.1
SET:3:3:0.05    # 设置 Z 轴 Kd = 0.05

7. 查询 PID 参数

GET:<motor>

参数说明：

• motor: 电机编号 (1=X轴, 2=Y轴, 3=Z轴)

响应格式：Kp Ki Kd

示例：

GET:1    # 查询 X 轴 PID 参数
# 响应: 2.500000 0.100000 0.050000

8. 查询实时速度

SPD

响应格式：speedx speedy speedz (单位: mm/s)

示例：

SPD
# 响应: 150.234 -80.567 200.123

9. 完整流程演示

PAS

演示所有功能：

• 机械臂完整动作序列
• 摩擦轮启动
• 推杆上升/下降

PID 参数调试

PID 控制原理

系统采用增量式 PID 算法进行速度控制：

\Delta u = K_p (e_k - e_{k-1}) + K_i \cdot e_k + K_d (e_k - 2 e_{k-1} + e_{k-2})

其中：

• e_k: 当前误差
• e_{k-1}: 上一次误差
• e_{k-2}: 上上次误差

调试步骤

PID 参数调试（ESP8266 + VOFA+）

PID 参数调试使用 ESP8266 单片机配合 VOFA+ 软件进行实时调试：

1. 硬件连接

   • ESP8266 TX <--> STM32 RX
   • ESP8266 RX <--> STM32 TX
   • 共地连接 (GND)
   • 配置波特率：115200

2. 软件架构

   • VOFA+：运行在 PC 端，提供可视化调试界面
   • ESP8266：作为 Wi-Fi 透传模块
     • 通过串口与 STM32 通信
     • 通过 TCP 连接与 VOFA+ 通信
     • 实时转发双向数据

3. VOFA+ 配置

   • 连接方式：TCP 客户端模式
   • 目标地址：ESP8266 的 IP 地址
   • 端口：通常为 8080 或自定义端口
   • 协议：无，仅作为中间人进行数据转发

4. 调试流程

   • 启动 VOFA+，通过 TCP 连接到 ESP8266
   • 在 VOFA+ 界面实时显示电机速度曲线
   • 通过 VOFA+ 发送 SET 指令调整 PID 参数
   • 发送 MTR 指令测试电机响应
   • 观察速度曲线，评估 PID 效果：
     • 检查是否有超调
     • 观察稳态误差
     • 分析响应速度
   • 迭代调整参数直至满意
   • 使用 GET 指令确认并保存最终参数

5. VOFA+ 优势

   • 实时可视化速度曲线
   • 直观观察 PID 控制效果
   • 支持多通道同时显示（X/Y/Z 三轴）
   • 可保存调试数据用于分析

6. 调试技巧

   • 初始化参数：

     SET:1:1:1.0    # Kp = 1.0
     SET:1:2:0.0    # Ki = 0.0
     SET:1:3:0.0    # Kd = 0.0
     

   • 调节 Kp：逐步增大直到出现振荡，然后减小至稳定值的 60%-80%

   • 调节 Ki：从小开始增加，消除稳态误差，过大会导致超调

   • 调节 Kd：适当增加减少超调，过大会对噪声敏感

   • 验证效果：

     MTR:1000:0:0    # 设置目标速度
     SPD             # 查看实际速度
     

其他功能调试（树莓派）

日常控制和功能调试通过树莓派上位机进行：

1. 硬件连接

   • 树莓派通过 USB 转串口模块或 GPIO 串口连接 STM32
   • 配置波特率：115200

2. 上位机程序

   • 树莓派运行控制程序
   • 发送运动控制指令（MTR、ARM、THR 等）
   • 实时接收状态反馈

3. 典型调试场景

   • 机械臂动作测试
   • 底盘移动控制
   • 发射机构调试
   • 完整流程演示

4. 备用调试方法

   如需直接通过 PC 调试，可使用串口工具：

   • 连接串口工具 (minicom, screen, 或串口助手)
   • 配置波特率 115200
   • 发送指令进行测试

调试与监控

LED 状态指示

• LED0 以 1Hz 频率闪烁表示系统正常运行

调试架构

本项目采用双控制器架构：

• ESP8266：专用于 PID 参数调试，通过串口与 STM32 通信
• 树莓派：作为主控上位机，负责机器人运动控制和功能调试

硬件连接

1. STM32 ↔ ESP8266（PID 调试）

   • ESP8266 TX → STM32 RX
   • ESP8266 RX → STM32 TX
   • 共地连接 (GND)
   • 波特率：115200

2. STM32 ↔ 树莓派（主控）

   • 通过 USB 转串口或 GPIO 串口连接
   • 波特率：115200

PID 调试流程（ESP8266）

1. ESP8266 通过 Wi-Fi 接收 PID 参数调整指令
2. 发送 SET 指令设置 PID 参数
3. 发送 MTR 指令启动电机测试
4. 使用 SPD 指令实时监控速度反馈
5. 根据响应迭代优化参数
6. 使用 GET 指令保存确认最终参数

功能调试流程（树莓派）

1. 树莓派运行控制程序
2. 发送运动控制指令测试各项功能：
   • 底盘移动（MTR 指令）
   • 机械臂操作（ARM/PIC 指令）
   • 发射机构（THR 指令）
3. 监控响应码和状态反馈
4. 进行完整流程联调### 常见问题

问题 1: 编译错误 arm-none-eabi-gcc: command not found

• 解决方案: 安装 ARM GCC 工具链
  • Arch Linux: sudo pacman -Sy arm-none-eabi-gcc arm-none-eabi-newlib
  • Debian/Ubuntu: sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi

问题 2: 烧录失败

• 检查调试器连接
• 确认目标芯片型号: pyocd list
• 尝试擦除后重新烧录: make erase && make load

问题 3: 电机不转或转速不稳定

• 检查 PID 参数是否合理
• 确认编码器连接正常
• 检查电源供电是否充足

问题 4: 串口无响应

• 检查串口波特率配置
• 确认 TX/RX 引脚连接正确
• 查看 LED 是否闪烁 (判断系统是否运行)

开发指南

添加新功能

1. 在 Drivers/BSP/Inc/ 添加头文件
2. 在 Drivers/BSP/Src/ 实现功能
3. 在 User/Src/main.c 中集成
4. 重新编译并测试

修改 PID 控制周期

在 mctrl.h 中修改：

#define MCTRL_ARR (10000 - 1)  // 自动重载值
#define MCTRL_PSC (840 - 1)    // 预分频系数
// 频率 = 84MHz / (PSC+1) / (ARR+1)

修改电机 PWM 频率

在 motor.h 中修改：

#define MOTORX_ARR (6000 - 1)  // 自动重载值
#define MOTORX_PSC (7 - 1)     // 预分频系数
// 频率 = 168MHz / (PSC+1) / (ARR+1)

许可证

本项目采用 MIT 许可证 - 详见 LICENSE 文件