SLAM导航机器人零基础实战系列：（四）差分底盘设计——3.底盘通信协议

摘要                                            

运动底盘是移动机器人的重要组成部分，不像激光雷达、IMU、麦克风、音响、摄像头这些通用部件可以直接买到，很难买到通用的底盘。一方面是因为底盘的尺寸结构和参数是要与具体机器人匹配的；另一方面是因为底盘包含软硬件整套解决方案，是很多机器人公司的核心技术，一般不会随便公开。出于强烈的求知欲与学习热情，我想自己DIY一整套两轮差分底盘，并且将完整的设计过程公开出去供大家学习。说干就干，本章节主要内容：

1.stm32主控硬件设计

2.stm32主控软件设计

3.底盘通信协议

4.底盘ROS驱动开发

5.底盘PID控制参数整定

6.底盘里程计标

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3.底盘通信协议                           

对于做纯SLAM算法、机器人导航避障、或者别的需要用到移动底盘的应用，其实不需要搞明白底盘的底层硬件原理和软件实现等繁琐的细节，只需要根据底盘通信协议，在上层应用程序中利用串口以收发数据的方式来完成对底盘的操作。也就是说底盘的底层操作细节被封装到基于串口通信的API中了。

先来说说ROS社区提供的rosserial库，rosserial库是为了解决单片机与机器人之间的通信问题，使用rosserial库可以实现单片机与机器人之间透明的ROS主题发布与订阅通信。原理其实很简单，如图30。

（图30）ROS社区提供的rosserial协议

单片机中通过包含rosserial.h头文件来引用rosserial库中的数据封装与数据解析方法，这样在单片机上可以直接按照ROS中发布和订阅数据的语法来编写程序，rosserial库会自动完成封装和解析；被rosserial库封装成串口字节流后可以在串口数据线上传输；在机器人上同样通过包含rosserial.h头文件来引用rosserial库中的数据封装与数据解析方法，这样在机器人上直接按照ROS中发布和订阅数据的语法来编写程序，rosserial库会自动完成封装和解析。rosserial协议建立了单片机与机器人之间的透明ROS通信，这个ROS机器人开发这带来了很大的方便。

但是，rosserial协议虽然好，目前rosserial对很多单片机的支持还不是很好，只对少数型号的单片机（比如Arduino系列单片机）有支持，像应用广泛的stm32单片机就没有官方rosserial库的支持；另一个缺点，rosserial协议比较臃肿，这样对通信的资源消耗大并且影响数据实时性。

其实解决rosserial协议这几个缺点很简单，我们借鉴rosserial协议的思想，对rosserial协议中的冗余进行裁剪，我们miiboo机器人底盘自己的通信协议也就应运而生了。miiboo机器人底盘自己的通信协议，如图31。

（图31）miiboo机器人底盘自己的通信协议

其实很好理解，miiboo机器人底盘自己的通信协议包含两个部分：DEBUG-uart1和DATA-uart2。DEBUG-uart1用于stam32与机器人之间传输调试打印信息、调试命令；DATA-uart2用于stam32与机器人之间传输速度反馈、速度控制。并且DEBUG-uart1和DATA-uart2两个串口都采用波特率115200进行数据传输。下面就针对DEBUG-uart1和DATA-uart2这两部分的协议进行详细的讲解。

3.1.DEBUG-uart1协议内容     

DEBUG-uart1协议内容分为：调试打印信息（stm32单片机==>机器人）、调试命令（stm32单片机<==机器人）。调试打印信息是stm32单片机向机器人发送数据，调试命令是机器人向stm32单片机发送数据。

（图32）调试打印信息（stm32单片机==>机器人）

在机器人端，对从串口获取的字符串数据流，直接用printf()函数就可以解析。

（图33）调试命令（stm32单片机<==机器人）

在机器人端，将要下发的调试命令（其实就是请求stm32单片机的版本信息与PID信息命令、请求将stm32中PID恢复为默认值命令、请求将stm32中PID设置为指定值命令）封装成对应的数据帧，然后让串口下发由这15个字节组成的数据帧就行了。

3.2.DATA-uart2协议内容     

DATA-uart2协议内容分为：速度反馈（stm32单片机==>机器人）、速度控制（stm32单片机<==机器人）。速度反馈是stm32单片机向机器人发送数据，速度控制是机器人向stm32单片机发送数据。

（图34）速度反馈（stm32单片机==>机器人）

在机器人端，对从串口获取的字符串数据流，按照这个数据帧格式进行解析，就可以从这11字节组成的数据帧中解析出左轮速度、右轮速度。

（图35）速度控制（stm32单片机<==机器人）

在机器人端，将要下发的目标速度控制值（左轮速度、右轮速度），按照这个数据帧格式进行封装，然后让串口下发由这11个字节组成的数据帧就行了。其实不难发现，速度反馈和速度控制遵循同样的数据帧格式，这也是很好理解的。

后记                

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参考文献

[1] 张虎，机器人SLAM导航核心技术与实战[M]. 机械工业出版社，2022.

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