以下是一个基于STM32的简化版人形机器人外设控制示例,使用C++面向对象方式实现。需要根据具体硬件修改引脚配置(基于STM32F4xx HAL库):
#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
// PWM舵机控制器类
class ServoController {
private:
TIM_HandleTypeDef* htim;
uint32_t channel;
float min_pulse;
float max_pulse;
public:
ServoController(TIM_HandleTypeDef* timer, uint32_t ch, float min, float max)
: htim(timer), channel(ch), min_pulse(min), max_pulse(max) {}
void SetAngle(float angle) {
float pulse = min_pulse + (max_pulse - min_pulse) * (angle / 180.0f);
uint32_t compare = static_cast<uint32_t>((pulse * htim->Instance->ARR) / 20000.0f); // 20ms周期
__HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, channel, compare);
}
};
// 六轴传感器类
class IMUSensor {
private:
I2C_HandleTypeDef* hi2c;
uint8_t dev_addr;
public:
IMUSensor(I2C_HandleTypeDef* i2c, uint8_t addr) : hi2c(i2c), dev_addr(addr) {}
bool Initialize() {
uint8_t data = 0x00;
return HAL_I2C_Mem_Write(hi2c, dev_addr, 0x6B, 1, &data, 1, 10) == HAL_OK;
}
void ReadData(float& ax, float& ay, float& az) {
uint8_t buffer[6];
if(HAL_I2C_Mem_Read(hi2c, dev_addr, 0x3B, 1, buffer, 6, 100) == HAL_OK) {
ax = *(int16_t*)(buffer) / 16384.0f;
ay = *(int16_t*)(buffer+2) / 16384.0f;
az = *(int16_t*)(buffer+4) / 16384.0f;
}
}
};
// 系统管理器
class RobotSystem {
private:
ServoController* leg_servos[4];
IMUSensor* imu;
public:
void InitPeripherals() {
// 初始化时钟系统和外设
HAL_Init();
SystemClock_Config();
// 初始化PWM定时器
TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM1;
htim.Init.Prescaler = 83;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim.Init.Period = 19999; // 20ms周期
HAL_TIM_PWM_Init(&htim);
// 创建舵机实例
leg_servos[0] = new ServoController(&htim, TIM_CHANNEL_1, 500, 2500);
// 添加更多舵机...
// 初始化IMU
I2C_HandleTypeDef hi2c;
hi2c.Instance = I2C1;
// 配置I2C参数...
imu = new IMUSensor(&hi2c, 0x68);
imu->Initialize();
}
void BalanceControl() {
float ax, ay, az;
imu->ReadData(ax, ay, az);
// 简单平衡控制算法
float angle = ay * 15.0f; // 比例系数调整
leg_servos[0]->SetAngle(90 + angle);
// 控制其他关节...
}
};
// 全局系统实例
RobotSystem robot;
int main(void) {
robot.InitPeripherals();
while (1) {
robot.BalanceControl();
HAL_Delay(10); // 100Hz控制频率
}
}
// 必要的HAL库回调函数
extern "C" void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef* htim) {
if(htim->Instance == TIM1) {
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef gpio;
gpio.Pin = GPIO_PIN_8;
gpio.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
gpio.Pull = GPIO_NOPULL;
gpio.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;
gpio.Alternate = GPIO_AF1_TIM1;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);
}
}
// 系统时钟配置(根据实际硬件修改)
void SystemClock_Config(void) {
RCC_OscInitTypeDef osc = {0};
osc.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
osc.HSEState = RCC_HSE_ON;
osc.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
osc.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
osc.PLL.PLLM = 8;
osc.PLL.PLLN = 336;
osc.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
osc.PLL.PLLQ = 7;
HAL_RCC_OscConfig(&osc);
RCC_ClkInitTypeDef clk = {0};
clk.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | RCC_CLOCKTYPE_HCLK |
RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
clk.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
clk.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
clk.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV4;
clk.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
HAL_RCC_ClockConfig(&clk, FLASH_LATENCY_5);
}
需要根据以下硬件配置进行调整:
-
引脚分配:
• 修改PWM输出引脚对应的GPIO和定时器
• 调整I2C引脚配置 -
系统时钟:
• 根据实际晶振频率修改PLL参数
• 验证时钟树配置是否正确 -
外设参数:
• 调整PWM定时器的分频值和周期
• 根据舵机规格修改脉冲宽度范围
• 根据IMU型号调整I2C地址和寄存器 -
控制算法:
• 实现完整的姿态解算算法
• 增加PID控制逻辑
• 添加关节协同控制
典型硬件扩展建议:
- 增加更多PWM通道控制关节
- 添加力敏电阻或编码器反馈
- 实现CAN总线通信模块
- 增加安全监控机制(看门狗、异常检测)
建议开发环境配置:
- STM32CubeMX 用于生成初始化代码
- STM32CubeIDE 或 Keil MDK 作为开发环境
- ST-LINK 或 J-Link 作为调试工具
- 逻辑分析仪用于信号验证
此代码框架需要配合具体的硬件设计才能正常运行,建议在开发时:
- 分模块验证各外设功能
- 使用示波器检查PWM输出
- 逐步集成控制系统算法
- 添加必要的安全保护机制