STM32 遥控坦克

拥有一辆属于自己的遥控坦克是很多人的梦想，能亲自动手制作一辆遥控坦克那就更棒了，年少时做不到的事，终于在成为硬件工程师后如愿以偿！

项目概述

坦克不同于一般的车辆，没有像汽车一样可以转向的车轮，其前进和转向都是通过左右两侧的两个履带实现，这就需要左右两侧的履带能够以不同的速度和方向转动。为了简化机械结构，我使用两个独立的电机来驱动左右两侧的履带。然后使用两个舵机制作一个 2 自由度的云台，安装到履带底盘上，用来模拟坦克炮塔的转动。

控制系统是我自己设计的一块 STM32开发板，搭载电机驱动模块、陀螺仪模块、无线通信模块和舵机驱动电路，通过OLED 显示屏显示基本的参数。遥控装置是一个无线手柄，外壳采用游戏手柄的外壳，内部是我自己设计的另外一个 STM32开发板。STM32 遥控坦克如图 1 所示。

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图1 STM32 遥控坦克

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机械结构

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履带底盘

先绘制好底盘结构件的图纸，如图2所示，然后使用 6061 铝合金板，通过激光切割、折弯、攻丝等工艺加工成我们需要的结构件。

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图2  底盘结构件图纸

拿到加工好的结构件后，我们使用螺丝、螺母、弹簧、铜柱等进行固定，把底盘组装起来，底盘如图3 所示。

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图3  底盘

然后将电机和舵机直接装上去，履带采用通用的工程塑料履带即可，图4 所示为底盘安装好履带的效果。

图4  底盘安装好履带的效果

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驱动履带车需要比较大的动力，常见电机一般转速较高，但扭矩较小，因此需要使用减速齿轮箱（见图5）对电机进行减速，同时大幅增大扭矩。这里使用的是减速比为1:30 的直流减速电机，如图6 所示，其额定电压下测试参数如附表所示。

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图5 减速齿轮箱

图6 直流减速电机

电机的尾部有霍尔正交编码器，如图7 所示，可以用来测量电机的转速，反馈给控制系统。

图7 霍尔正交编码器

正交编码器是一种用于测量旋转速度和方向的传感器，通过积分（累加）运算后，还可以用来计算距离。正交编码器工作原理示意图如图 8 所示，有两个输出信号：A 相和 B 相。正交来源于 A、B 两个信号的特征，一般情况下 A 相和 B 相的输出信号总是有 π/2 的相位差。

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图8 正交编码器工作原理示意图

图 8 中 A 和 B 分别连接到两个传感器上，黑白相间的圆环称为栅格。图 9 所示为电机正转、反转时分别产生的脉冲波形。

图9 电机正转、反转时分别产生的脉冲波形

电机正转的时候，信道 A 先输出信号，信道 B 后输出，A 相超前 B 相 90°。也可以看作 A 上升沿时，B 低电平；A 下降图 11 开发板接口   图 9 电机正转、反转时分别产生的脉冲波形沿时，B 高电平。

电机反转的时候，信道 B 先输出信号，信道 A 后输出，B 相超前 A 相 90°。也可以看作 A 上升沿时，B 高电平，A 下降沿时，B 低电平。

读取编码器的数据一般有 3 种方式：专用硬件模块、I/O 接口中断处理和普通 I/O 接口读取并处理。这 3 种方式占用的计算资源依次增大，通用性也依次增强。在 STM32 中常用第一种方式处理，使用定时器的编码器模式。

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舵机云台

舵机云台如图 10 所示，由两个舵机驱动，水平方向可以转动 270°，垂直方向可以转动 180°。我们把云台嵌入履带底盘，用来模拟坦克的炮塔转动。

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图10 舵机云台

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主控STM32开发板

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设计目标

我使用STM32开发板控制坦克。为了便于这个开发板用于更多的项目，设计时需要尽可能多地增加它的功能。最终确定需要实现的功能包括：可以同时控制 8 个舵机和 2 个编码器电机，搭载 MPU9250 姿态传感器，自带功率为100mW 的无线模块，可实现远距离遥控、通信，支持 CAN 通信、USB 烧录 / 通信、串口通信等。稳压输出可以对外给树莓派供电，控制外部负载。具体开发板接口如图 11 所示。

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图 11 开发板接口

电路设计

为了实现 STM32 坦克的所有功能，我们充分利用了每一个引脚，下面介绍一下主要的电路原理。STM32 单片机引脚分配如图 12 所示。

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图12 STM32 单片机引脚分配

无线部分，我使用 NRF24L01P 无线模块，无线模块电路如图 13 所示，模块自带功放芯片，发射功率为 100mW，通过SPI 总线与 STM32 通信，半双工模式可以接收数据，也可以发送数据。

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图13 无线模块电路

这里使用了 2 个 A4950 电机驱动模块，A4950 电机驱动电路如图 14 所示，STM32 单片机向 A4950 电机驱动模块发送 PWM 信号，即可驱动电机转动。

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图14 A4950 电机驱动电路

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开发板上总共有 8 个 PWM 接口，在这个项目中，我们使用其中 2 个即可满足对云台的控制。PWM 输出电路如图 15 所示。

图 15 PWM 输出电路

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PCB设计

电路原理图完成之后，在嘉立创 EDA中 绘 制 PCB， 图16 所示为绘制完成的PCB。

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图16 绘制完成的 PCB

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使用嘉立创 EDA 中的 3D 预览功能，查看电路板 3D 模型，如图17 所示，符合预期、确认没有问题之后交付板厂打样。

图17 电路板 3D 模型

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程序设计

A4950 电机驱动芯片的工作原理示意图如图 18 所示，当 IN1 输入高电平且 IN2 输入低电平时，电机正转；当 IN1 输入低电平且IN2 输入高电平时，电机反转。通过在 IN1 或IN2 上输入 PWM 信号，控制电机的转速。

图 18 A4950 电机驱动芯片工作原理示意图

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电机控制实现如程序1 所示， 限定PWM 值范围为 0~1000，以其中 1 个电机为例。

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当电机旋转时，电机尾部的编码器会输出脉冲，每转动一周输出 330 个脉冲，根据单位时间内输出的脉冲数，可以得到电机的转速。如果有需要，可以根据电机的转速计算出坦克前进的速度和距离。程序 2 是使用中断方式读取编码器脉冲数。

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云台由 2 个舵机驱动，通过改变输入的 PWM 信号控制舵机的旋转角度。舵机的 PWM 信号周期是 20ms，通过高电平持续的时间（脉宽）来表示需要转动的角度。脉宽取值范围为 500~2500μs，中值是1500μs。具体如程序 3 所示。

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STM32 开发板上的无线模块，可以接收手柄发来的数据。STM32 开发板需要解析手柄发送过来的数据，并转换成电机的转速和舵机的角度。我们用手柄右侧摇杆来控制坦克移动，向前推动摇杆，左右两侧电机同时正转，坦克前进；向后推摇杆，坦克后退；向左推动摇杆，左侧电机反转，右侧电机正转，坦克左转；反之亦然。手柄按键定义如图 19 所示，按下 L1 键，1 号舵机口的 PWM 信号减小，使 1 号舵机左转，按下 R1 键则 1 号舵机右转。同理，按下 L2 或 R2 键，使 2 号舵机正转或反转。具体如程序 4 所示。

图19 手柄按键定义

遥控手柄

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电路设计

遥控手柄使用的 STM32 单片机和无线模块与主控开发板一致，无须赘述，我简要介绍一下摇杆的电路。遥控手柄上的摇杆电路如图 20 所示，摇杆由两个旋转电位器和一个按键组成，推动摇杆会使电位器阻值发生变化，进而使电位器分压发生变化。使用单片机内部 ADC 来测量出电位器的分压，即可计算摇杆的位置。摇杆内部的按键在被按下时，会产生电平的变化，进而被检测到。

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图20 遥控手柄上的摇杆电路

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PCB设计

根据电路图，我们绘制出遥控手柄的PCB，如图 21 所示，并交付板厂打样。

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图21 遥控手柄的 PCB

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电路板实物

打样完成后，对电路板进行焊接，焊接完成的手柄电路板如图 22 所示。

图22 焊接完成的手柄电路板

程序设计

手柄的无线部分程序同主控 STM32开发板相同，不同的是手柄工作时需要读取 16 个按键的状态，并计算 2 个摇杆的位置。如程序 5 所示，第一行程序用来读取 1 个按键状态，然后获取摇杆电位器分压并计算摇杆水平位置。

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联合调试

前边我们单独设计了 STM32 开发板和无线遥控手柄，现在需要使两者结合起来，确认功能是否符合预期。我们给开发板接上 8 个舵机和 2 个编码电机，使用手柄遥控，所有舵机和电机均可以正常工作。STM32 开发板与无线手柄联合调试如图23 所示，测试成功。调试完成后，我们把开发板、电机、舵机等安装到底盘上，就完成了对坦克的控制，制作完成的整体设备如图 24 所示。

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图23 STM32 开发板与无线手柄联合调试

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图24 制作完成的整体设备

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结语

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本项目包含实现对电机和舵机的控制、摇杆的模拟采样，以及无线通信等。除了最核心的 STM32 单片机，还涉及多种芯片的选型和使用，需要有一定的经验和耐心。两个电路板的绘制，两套程序的开发、调试，软 / 硬件细节的打磨，机械部分硬件的多次改进……DIY 就是这样，因为热爱，所以坚持；因为坚持，所以总能收获自己想要的成果！

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