C_Board — 武汉科技大学 RoboCon 机器人控制板固件

基于 STM32F407 的全向底盘 + 机械臂嵌入式控制系统，采用裸机超级循环架构，支持 DJI RoboMaster 电机、海泰电机、SBUS 遥控器、BMI088 IMU 等外设。

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目录

• 硬件平台
• 工程结构
• 软件架构
• 模块说明
• 通信协议
• 构建与烧录
• 已知问题

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硬件平台

项目	规格
MCU	STM32F407IGHx (ARM Cortex-M4, 168MHz, FPU)
FLASH / RAM	1024KB / 192KB (128KB + 64KB CCM)
时钟	HSE 12MHz → PLL → 168MHz 系统时钟
调试接口	SWD (ST-Link)

外设分配总览

外设	引脚	用途
CAN1 (1Mbps)	PD0/PD1	DJI M3508/M2006 电机总线
CAN2 (1Mbps)	PB5/PB6	海泰 8108 电机总线 (MIT 协议)
USART3 (100kbaud)	PC10/PC11	FS-i6X SBUS 遥控器
USART1 (115200)	PA9/PB7	Vofa+ 调试 / Action 计程模块
USART6 (115200)	PG14/PG9	printf 调试输出
SPI1 (328kHz)	PB3/PB4/PA7	BMI088 IMU (加速度计+陀螺仪)
I2C2 (400kHz)	PF0/PF1	SSD1306 OLED 显示屏 (0.96", 128×64)
TIM1 (50Hz PWM)	PE9/PE11/PE13/PE14	舵机控制 (4通道, ±135°)
TIM4 (CH3)	PD14	蜂鸣器
TIM5 (CH1-3)	PH10/PH11/PH12	RGB LED
TIM7 (1ms 中断)	内部	系统定时 (按键、OLED 刷新、LED)
TIM8 (1kHz)	内部	64-LED 灯带 (CH3)
GPIO 输出	PC6 / PI6 / PI7	气动夹爪 / 推杆 / 吸盘
GPIO 输入	PA0	用户按键
EXTI4	PC4	BMI088 加速度计数据就绪
EXTI9_5	PC5	BMI088 陀螺仪数据就绪

DMA 通道分配

DMA Stream	通道	用途
DMA2_Stream2/Ch4	USART1_RX	Vofa+ / Action 接收
DMA2_Stream7/Ch4	USART1_TX	Vofa+ / Action 发送
DMA1_Stream1/Ch4	USART3_RX	SBUS 接收
DMA2_Stream1/Ch5	USART6_RX	调试串口接收
DMA2_Stream0/Ch3	SPI1_RX	BMI088 接收
DMA2_Stream3/Ch3	SPI1_TX	BMI088 发送

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工程结构

C_Board/
├── C_Board.ioc                 # STM32CubeMX 工程文件 (MX 6.16.1)
├── CMakeLists.txt              # 顶层 CMake 构建脚本
├── CMakePresets.json            # CMake 预设 (Debug/Release)
├── STM32F407XX_FLASH.ld        # GCC 链接脚本
├── stlink.cfg                  # ST-Link 调试配置
│
├── Core/                       # STM32CubeMX 自动生成代码
│   ├── Inc/                    #   外设头文件 (main.h, can.h, gpio.h, ...)
│   └── Src/                    #   外设初始化 + 中断向量 + main()
│
├── Drivers/                    # ST 官方驱动库
│   ├── CMSIS/                  #   ARM CMSIS 核心头文件
│   └── STM32F4xx_HAL_Driver/   #   HAL 库源码
│
└── User_File/                  # 用户代码 ★
    ├── BSP/                    # 板级支持包 (按键、LED、蜂鸣器、BMI088)
    ├── Middleware/
    │   ├── Driver/             #   底层驱动抽象 (CAN、UART、TIM、PWM)
    │   └── Algorithm/          #   控制算法 (PID、快速数学)
    ├── Device/                 # 设备驱动 (DJI电机、海泰电机、遥控器、OLED、舵机、Vofa+)
    └── Task/                   # 应用层任务 (主循环、底盘、遥控、机械臂)

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软件架构

采用四层分层架构，裸机超级循环 + 定时器中断驱动：

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│                  应用层 (Task)                     │
│   Task.c / Chassis.c / RemoteControl.c / Arm.c   │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│                 设备层 (Device)                    │
│  dvc_dji_motor / dvc_HT_motor / dvc_remote /     │
│  dvc_oled / dvc_servo / dvc_vofa / dvc_action    │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│               中间件 (Middleware)                  │
│  Driver: drv_can / drv_usart / drv_tim / drv_PWM │
│  Algorithm: alg_pid / alg_fastmath               │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│                板级支持 (BSP)                      │
│  bsp_key / bsp_RGB_LED / bsp_buzzer / BMI088     │
└─────────────────────────────────────────────────┘

运行流程

main()
  ├── HAL / 时钟 / 外设初始化 (CubeMX 生成)
  └── Task_Init() → Task_loop() 主循环
        │
        ├── Task_Init(): 初始化所有模块
        │     BMI088 → Servo → PWM → Buzzer → LED → OLED
        │     → 注册 TIM7 中断回调
        │     → 注册 Vofa+ / 海泰 / DJI 电机 CAN 回调
        │     → 初始化电机 (3508 #5,#6 / 2006 #7 / HT #8)
        │     → Chassis_Init → Remote_Init
        │
        └── Task_loop(): 超级循环
              OLED 显示 → HAL_Delay(2ms)

中断驱动的异步任务:
  ├── TIM7 (1ms)  → 按键扫描 / OLED 刷新(40ms) / LED 更新(100ms)
  ├── USART3 DMA  → SBUS 解码 → Remote_Callback() → 底盘 + 电机控制
  ├── CAN1 RX     → DJI 电机反馈解析 → 角度/速度/电流更新
  └── CAN2 RX     → 海泰电机反馈解析

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模块说明

1. DJI 电机驱动 (dvc_dji_motor)

支持 DJI RoboMaster M3508 和 M2006 两种电机，通过 CAN1 总线通信。

• 电机数量: 最多 8 个 (ID 0x201-0x208)
• 减速比: M3508 = 19:1，M2006 = 36:1
• 编码器: 13 位 (8192 count/rev)，支持多圈角度累计
• 控制模式:
  • SPEED_MODE — 单环速度 PID
  • ANGLE_MODE — 串级 PID (TDPID 角度外环 → PID 速度内环)
  • ANGLEINC_MODE — 增量角度控制
  • CURRENT_MODE / IMPEDANCE_METHOD — 直接电流 / 阻抗控制
• 串级 PID 结构:

目标角度 → [TDPID 角度环] → 目标速度 → [PID 速度环] → 电流指令 → 电机

• M2006 默认 PID 参数:

控制器	Kp	Ki	Kd	max_out
角度环 (TDPID)	150.0	0.5	10.0	5000
速度环 (PID)	5.0	0.0	0.0	16000

2. 海泰电机驱动 (dvc_HT_motor)

支持海泰 8108 电机，通过 CAN2 使用 MIT 协议通信。

• 协议: MIT (位置+速度+Kp+Kd+力矩 打包为 8 字节)
• 控制: 位置模式 (HT_SetPosition) / 力矩模式 (HT_SetTorque)
• 参数范围: 位置 ±95.5 rad，速度 ±45 rad/s，Kp 0-500，Kd 0-30，力矩 ±18 N·m
• 使能命令: 0xFC (使能) / 0xFD (失能) / 0xFE (设置零位)

3. 底盘控制 (Chassis)

4 轮麦克纳姆轮 / 全向轮底盘。

• 轮布局: 4 个 45° 安装的全向轮，轮径 76mm，中心距 281mm
• 运动学: 逆运动学将 (Vx, Vy, Vw) 分解为 4 轮转速，应用 √2/2 旋转矩阵
• 控制模式:
  • VELOCITY_MODE — 速度闭环 (mm/s, rad/s)
  • POSITION_MODE — 位置闭环 (mm, rad)
• 电机: DJI M3508 × 4 (CAN1, ID 1-4)

4. 遥控器接口 (RemoteControl)

解析 FlySky FS-i6X 的 SBUS 信号，映射到各执行器。

遥控通道	功能
右摇杆 X/Y	底盘前后/左右平移
左摇杆 X	底盘自转
左摇杆 Y	3508 升降台角度
VRA 旋钮	海泰电机 (云台) 角度
VRB 旋钮	2006 夹爪旋转角度
SWA	急停 (向下 = 停机)
SWB	气动夹爪开/合
SWC	推杆开关
SWD	舵机 + 吸盘开关

5. 机械臂 (Arm)

2-DOF 平面机械臂阻抗力控制（开发中）。

• 连杆长度: L1 = 0.4m，L2 = 0.3m
• 控制律: F = Kp·(xd - x) - Kd·v，τ = J^T·F
• 安全限幅: ±3.0 N·m / 关节
• 状态: 模块已实现，尚未接入主控制循环

6. PID 算法 (alg_pid)

类型	说明	特点
PID_t	标准位置式 PID	积分限幅，通用
TDPID_t	跟踪微分器 PID	TD 平滑目标值，抗噪声微分
fastPID_t	增量式 PID	预计算增益 A0/A1/A2，执行快
Impedance_t	阻抗控制器	out = Kp·dp + Kd·dv + t

7. 其他设备

模块	文件	说明
OLED 显示	dvc_oled	SSD1306 128×64, I2C2, 双缓冲, OLED_printf()
舵机	dvc_servo	TIM1 PWM 50Hz, 4 通道, ±135°
Vofa+ 调试	dvc_vofa	JustFloat/FireWater 协议, 支持运行时 PID 调参
Action 计程	dvc_action	28 字节帧, 输出 yaw/pos_x/pos_y
BMI088 IMU	BMI088driver	6 轴, SPI1, 3G/2000dps, 800Hz
蜂鸣器	bsp_buzzer	TIM4 PWM, 支持旋律播放
RGB LED	bsp_RGB_LED	TIM5 PWM + 64-LED 灯带 (TIM8)
按键	bsp_key	PA0, 20ms 去抖, TIM7 轮询

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通信协议

SBUS (遥控器)

波特率: 100000 | 数据位: 9 | 校验: Even | 停止位: 1
帧格式: [0x0F] [22字节数据] [0x00]
通道: 16 × 11bit, 范围 ~240-1807, 中值 ~1024

DJI 电机 CAN 协议 (CAN1, 1Mbps)

反馈帧: StdId 0x201-0x208, 8字节
  [0-1] 编码器角度 (uint16, 0-8191)
  [2-3] 转速 (int16, rpm)
  [4-5] 实际电流 (int16)

控制帧: StdId 0x200 (电机1-4) / 0x1FF (电机5-8), 8字节
  4 × int16 电流值 (-16384 ~ +16384)

海泰电机 MIT 协议 (CAN2, 1Mbps)

控制帧: StdId 由电机ID决定, 8字节
  [0-1] 位置 (16bit) + [2-3] 速度 (12bit) + [3-4] Kp (12bit) + [5-6] Kd (12bit) + [6-7] 力矩 (12bit)

反馈帧: StdId 0x00, 8字节
  [0] 电机ID + [1-2] 位置 (16bit) + [3-4] 速度 (12bit) + [5-6] 力矩 (12bit)

Vofa+ 调试协议 (USART1, 115200)

上位机 → 下位机 (PID 调参命令):
  格式: "=XXYYYY!" (例: "P1=1.23!", "I2=0.5!")
  XX: P1/I1/D1 (速度环) / P2/I2/D2 (位置环)
  YYYY: 浮点数值

下位机 → 上位机 (遥测数据):
  JustFloat: N × float32 (小端) + 尾帧 0x0000807F
  FireWater: CSV 文本 + \r\n

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构建与烧录

前置依赖

• gcc-arm-none-eabi (ARM 交叉编译工具链)
• CMake ≥ 3.22
• Ninja 构建系统
• ST-Link 工具 (烧录)

编译

# 配置 (Debug 模式)
cmake --preset Debug

# 编译
cmake --build build/Debug

烧录

# 使用 ST-Link
st-flash --config stlink.cfg write build/Debug/C_Board.bin 0x08000000

CubeMX 重新生成

工程由 STM32CubeMX 6.16.1 生成，固件包版本 FW_F4 V1.28.3。修改外设配置后：

# 重新生成外设初始化代码
stm32cubemx C_Board.ioc

⚠️ CubeMX 会覆盖 Core/Src/ 和 Core/Inc/ 下的外设文件，但不会修改 User_File/。

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已知问题

#	严重程度	问题	位置
1	🔴 高	CAN1 回调被重复注册 (Chassis_Init 和 Task_Init 各注册一次)，每帧 CAN 消息被处理两次	Task.c:51 + Chassis.c
2	🔴 高	CAN 反馈中 speed 和 current 用 uint16_t 接收，应为 int16_t，导致反转时速度反馈错误	dvc_dji_motor.c:49-50
3	🟡 中	速度内环 Ki=0 (纯 P 控制)，存在固有稳态误差，电机无法精准到达目标角度	dvc_dji_motor.c:86
4	🟡 中	TDPID 跟踪微分器引入目标值滞后，角度环残余误差无法完全消除	alg_pid.c:96-97
5	🟡 中	Remote_Callback() 在 SBUS 中断中执行全部电机 PID + CAN 发送，中断耗时过长	RemoteControl.c
6	🟡 中	DJ_MotorRun() 在一次回调中被调用 3 次，产生冗余 CAN 帧	RemoteControl.c:28,36,48
7	🟡 中	遥控器摇杆无死区处理，回中漂移导致电机持续微调抖动	RemoteControl.c
8	🟢 低	OLED 刷新在 TIM7 中断中执行 I2C 传输，可能阻塞其他中断	Task.c
9	🟢 低	USART1 被 Vofa+ 和 Action 模块共用，运行时只能激活一个	dvc_vofa.h / dvc_action.h
10	🟢 低	Task_loop() 中 HAL_Delay(2) 固定阻塞，降低主循环频率	Task.c:67
11	🟢 低	机械臂模块 (Arm.c) 已实现但未接入控制循环	Arm.c

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快速上手

遥控器操作

1. SWA 向上 — 进入使能模式
2. 右摇杆 — 控制底盘前后左右移动
3. 左摇杆 X 轴 — 控制底盘自转
4. 左摇杆 Y 轴 — 控制升降台
5. VRA 旋钮 — 控制云台角度
6. VRB 旋钮 — 控制夹爪旋转
7. SWB 向下 — 气动夹爪夹紧
8. SWC 向下 — 推杆伸出
9. SWD 向下 — 舵机旋转 + 吸盘启动
10. SWA 向下 — 紧急停机

PID 调参

1. 连接 Vofa+ 到 USART1 (115200 baud)
2. 选择 JustFloat 数据格式
3. 发送命令调整参数 (如 P1=8.0! 设置速度环 Kp)
4. 实时观察速度环/角度环的 目标值、反馈值、输出值

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开发团队

武汉科技大学 WUST RoboCon 战队