実験1 2自由度パン・チルトの構造設計と運動制御

実験の目的：

PWM の基本的な動作原理を理解し、PWM でパン・チルトの回転を制御します。
STM32 の GPIO 周辺機能ピンの設定方法を習得します。
STM32CubeMX で新規プロジェクトを作成し、MDK_ARM プロジェクトファイルを生成できるようにします。
keil IDE でユーザーコードを追加し、プロジェクトのテストを行えるようにします。

基本原理：

2自由度パン・チルトは2つのスイングモジュールで構成され、下部は鉛直方向の回転軸、上部は X 軸または Y 軸を回転軸とします。

応用シーン：

移動ロボットによる観光地での撮影やイベントのライブ配信などに適しています。ロボットにパン・チルトとカメラを搭載し、さまざまな角度から撮影します。

機能要件：

パン・チルトを首振り動作させます。

ハードウェアの準備：

STM32 メインボード V1.3 *1、ST-Link ダウンロードケーブル *1、3S バッテリーボックス *1、リチウム電池 *3、サーボ *2

試作構成：

STP ファイル：パン・チルトSTP図.rar

回路接続：

ハードウェアモジュール

ヒント：開発ボード、環境設定、電源モジュールの基本的な使い方に習熟しておくことを強くお勧めします。電子モジュールについては必要に応じて参照してください。

UNI-STM32 開発ボード【V1.3】の紹介

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】

バッテリーおよび電源モジュール使用上の注意（必読）

電子モジュールの紹介

ピンの紹介

ハードウェア	STM32 インターフェース
パン・チルト上段サーボ	PA2
パン・チルト下段サーボ	PA3

まず サーボインターフェース の位置を全体的に把握し、その後ピン表に従って配線を完了します。

実際の配線

配線のコツ：サーボを配線する際は、GND が開発ボードの GND と対応するように注意してください。

ソフトウェア設計：

設計フロー

プロジェクトのダウンロード

ソースファイル：01.gimbal.zip

プログラムコード

コアコード：main.c。プロジェクトの完全なコードは（ソースファイル）をクリックしてダウンロードしてください。

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "servo.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Servo_Init();    //servo init
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */


    // 云台动作测试一： 云台上方舵机, 下方舵机回复到初始位置
    servo_write270(1, 135);
    servo_write270(2, 135);
    HAL_Delay(1000
      );

    /*云台动作测试二：单个舵机直接转动========================================
      云台下方舵机直接转动到270度, 云台下方舵机直接转动到0度
      云台上方舵机直接转动到250度, 云台上方舵机直接转动到20度 */

    //舵机1直接转动到 270 度
    servo_write270(1, 270);
    HAL_Delay(1000);
    //舵机1直接转动到 0 度
    servo_write270(1, 0);
    HAL_Delay(1000);

    //舵机2直接转动到 270 度
    servo_write270(2, 250);
    HAL_Delay(1000);
    //舵机2直接转动到 0 度
    servo_write270(2, 20);
    HAL_Delay(1000);

    //复位
    servo_write270(1, 135);
    servo_write270(2, 135);
    HAL_Delay(1000);

    /*云台动作测试三：单个舵机缓慢转动========================================
      云台下方舵机从0度缓慢转动到270度, 云台下方舵机从270度缓慢转动到0度
      云台上方舵机从20度缓慢转动到250度, 云台上方舵机从250度缓慢转动到20度 */
    //舵机1从0度缓慢转动到270度
    for(int angle1 = 0; angle1 < 270; angle1 ++){
        servo_write270(1, angle1);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);

    //舵机1从270度缓慢转动到0度
    for(int angle1 = 270; angle1 > 0; angle1 --){
        servo_write270(1, angle1);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);
    //舵机2从0度缓慢转动到250度
    for(int angle2 = 20; angle2 < 250; angle2 ++){
        servo_write270(2, angle2);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);
    //舵机2从250度缓慢转动到20度
    for(int angle2 = 250; angle2 > 20; angle2 --){
        servo_write270(2, angle2);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);

    //复位
    servo_write270(1, 135);
    servo_write270(2, 135);
    HAL_Delay(1000);


    /*云台动作测试四：多个舵机缓慢转动===================================================
      云台上方舵机和下方舵机同时从0度缓慢转动到250度
      云台上方舵机和下方舵机同时从250度缓慢转动到20度 */

    //云台上方舵机和下方舵机同时从0度缓慢转动到250度
    for(int angle1 = 20; angle1 < 250; angle1 ++){
        servo_write270(1, angle1);
        servo_write270(2, angle1);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);

    //云台上方舵机和下方舵机同时从250度缓慢转动到20度
    for(int angle2 = 250; angle2 > 20; angle2 --){
        servo_write270(1, angle2);
        servo_write270(2, angle2);
        HAL_Delay(6);
    }
    HAL_Delay(350);


    //复位
    servo_write270(1, 135);
    servo_write270(2, 135);
    HAL_Delay(1000);

    /*云台动作测试五：云台上方舵机, 下方舵机 "跳舞" 动作==================================*/

    //云台动作： 8字形
    figureEight();
    HAL_Delay(1000);

  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 84;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

操作手順：

全体の流れ：

(1) STM32CubeMX ソフトウェアでピン割り当てと周辺機能の初期化を設定し、設定コードを生成します。

(2) keil5 で MDK_ARM プロジェクトファイルを開き、コードの編集・コンパイル・デバッグを行います。

基本パラメータ：

本ドキュメントの（ハードウェアモジュール）に従って開発環境を設定した後の基本パラメータは次のとおりです。

ソフトウェアバージョン：STM32CubeMX V6.14.0

ハードウェアプラットフォーム：STM32F407IGT6

コンパイル環境：MDK_ARM V5.3.2

デバッグツール：ST-LINK/V2

1. 新規プロジェクトの作成と MCU の設定

1.1 MCU の選択

STM32CubeMX ソフトウェアを開き、File > New Project をクリックします。

2. MCU の絞り込み条件を設定して STM32F407IGT6 を選択し、ボード型番の列をクリックしてから、最後に Start Project をクリックしてプロジェクトの設定を開始します。

プロジェクト設定画面は次のとおりです。

1.2 クロック設定とコア設定

Pinout & Configuration の System Core で、RCC（リセットおよびクロック制御） をクリックします。

HSE クロックソースを Crystal/Ceramic Resonator（水晶またはセラミック振動子）に設定します。

設定が完了すると、対応するピン（OSC_IN と OSC_OUT）が自動的に設定されます（下図の緑色の部分を参照）。

機能：

外部高速水晶発振器（HSE）を接続し、システムに高精度のクロック源を供給するために使用します。

**RCC_OSC_IN**：水晶入力ピン。

**RCC_OSC_OUT**：水晶出力ピン（帰還信号）

デフォルト機能：

**PH0**：**OSC_IN**（外部水晶入力）。

**PH1**：**OSC_OUT**（外部水晶出力）。

デバッグインターフェースのピンを設定します。System Core で SYS をクリックし、Debug モードを Serial Wire に設定します。

設定が完了すると、対応するピン配置（pinout）が緑色になります。

緑色の部分をクリックすると、具体的な内容を確認できます。

1.3 クロックツリーの設定

クロックパラメータを順に設定します：1. input frequency の値を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK パラメータを 84 に変更。その他のパラメータはデフォルトのままで構いません。

ヒント：設定時にはエラーが自動的に検出されます。周波数設定が誤っている場合は、エラーが赤色で強調表示されます。

2. MCU 初期化パラメータの設定

2.1 USART シリアルポートの設定

PA9 と PA10 をそれぞれ USART1_TX と USART1_RX に設定します。GPIO をクリックし、ピンを設定します（この時点では USART1 が未設定のため、ピンに黄色の警告が表示されます）。

Connectivity — USART1 をクリックし、モードを Asynchronous に設定します（USART1 を設定すると関連ピンが緑色になり、ピン設定が正常であることを示します）。

2.2 プロジェクト管理の設定

デフォルトの画面は次のとおりです。

プロジェクト名を入力します（任意に設定可能）。

プロジェクトの保存先を選択します（C ドライブには保存しないでください）。

コンパイル環境として MDK_ARM を選択します。

バージョン番号 V5.3.2 を選択します。

ファームウェアパッケージ名とバージョン。

（ヒント：デフォルトでは Use latest available version にチェックが入っていますが、ローカル PC に最新バージョンがない場合はエラーになります。その場合はパッケージを自分でダウンロードしてローカルにインストールする必要があります。インストール方法は下記リンクを参照してください。）

UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】（リンク先の「7. よくある設定 Q&A」の Q3 に解決方法があります）

上記の設定が完了すると、下図のようになります。

2.Project Manager > Code Generator ウィンドウを次のように設定します。

3.Project Manager > Advanced Settings ウィンドウで HAL ライブラリを選択します。

プロジェクトを保存します：File — Save Project をクリックします。

3. GPIO 設定

サーボ S1、S2 のパラメータ

ピン	タイマー	ユーザーラベル
PA2	TIM2_CH3	SERVO1

GPIO をクリックしてピン PA2 を探します。PA2 を左クリックして TIM2_CH3 を選択します（注：ピン割り当て完了後、ピンはオレンジ色になります。これはピン割り当てのみが完了し、対応する周辺機能がまだ有効化されていないことを示します）。

Timers パネルをクリックして TIM2 の設定を選択し、Channel3 のドロップダウンから PWM Generation CH3 を選択します。下の GPIO Settings を左クリックし、PA2 の行をダブルクリックして User Label を SERVO1 に設定します。

ピンの色が緑色に変われば、正常に設定が完了しています。

サーボ S2 のパラメータ

ピン	タイマー
PA3	TIM2_CH4

GPIO をクリックしてピン PA3 を探します。PA3 を左クリックして TIM2_CH4 を選択します（注：ピン割り当て完了後、ピンはオレンジ色になります。これはピン割り当てのみが完了し、対応する周辺機能がまだ有効化されていないことを示します）。

Timers パネルをクリックして TIM2 の設定を選択し、Channel4 のドロップダウンから PWM Generation CH4 を選択します。

2つのサーボのパラメータは次のように設定されていることが確認できます。

プリスケーラと自動リロード値を設定します。TIM2 をクリックし、Parameter Settings パネルを選択します。

設定結果は下図のとおりです。

パラメータ	設定値	意味
Prescaler (PSC)	`84-1`	プリスケーラ。84MHz のシステムクロックを 1MHz に分周します
Counter Period (ARR)	`19999`	自動リロード値。PWM 周期を決定します
auto-reload preload	Enable	自動リロードのプリロードを有効化
サーボのデフォルトパルス Pulse	500	500us=0.5ms。デフォルトのパルス幅を 0.5ms に設定し、サーボの初期角度は 0 度になります。

プロジェクトファイルを再度保存します。

ヒント：必ずプロジェクトファイルを再度保存してください（主にパラメータを保存するため）。File — Save Project をクリックします。

4. コードの生成

1. GENERATE CODE をクリックしてコードを生成します。

コードを自動生成しています。

コード生成が成功しました。

5. ユーザーコードの追加

上記で生成したフレームワークをもとに、keil エディタでユーザーコードを追加し、コンパイルとデバッグを行います。

ヒント 1：例えば、main.c の /* USER CODE BEGIN xx */ と /* USER CODE END xx */ の間にユーザーコードを追加します。

ヒント 2：.c ファイルを独自に作成することもできます。

ヒント 3：ユーザーコードは自分で記述できます。（コード解説）に掲載されている例を参考に、真似しながら学習することもできます。

6. コードのダウンロードとテスト

(1) プロジェクトをダウンロードします。ここではデモを用意しています。本ドキュメントの「ソフトウェア設計 — プロジェクトのダウンロード」から直接ダウンロードできます。

参考リンク（UNI-STM32 開発環境の設定【V2.0】の「5. プログラムのダウンロード」）を参照してください。

(2) バッテリースイッチとメインボードのスイッチをオンにし、動作を確認します。

実験結果

パン・チルトのターンテーブルが回転し、上段のサーボが首振りすることで、パン・チルトの左右・上下の動きを実現します。例えば、まず単一サーボの直接動作、次に単一サーボのゆっくりした動作、続いて複数サーボのゆっくりした動作を行い、最後にパン・チルトが「8」の字を描くように動きます。

コード解説

1. ユーザーコードの解説

下図は、プロジェクトファイルに追加したユーザーコードを示しています。

2. ユーザーコードの取り込み方法

1つ目は、ユーザー定義ファイル（.c や .h など）を自分のプロジェクトファイルに取り込み、keil5 IDE で .c ファイルを追加してコンパイルする方法です。

既存のユーザーファイルの取り込み：keil で既存のユーザーファイルを取り込む方法を参照してください。

2つ目は、main.c ファイルにユーザーコードを追加する方法です。

ユーザーコード：/* USER CODE BEGIN xx */ で始まり、/* USER CODE END xx */ で終わる部分が目印です。

(1) まず、参照するプロジェクトファイルのコードを開きます。main.c ファイルは主に stm32cubemx によって自動生成されたものです。このフレームワークをもとに実現したい機能を補完・改良します。具体的には /* USER xx で始まり終わる部分のコードを確認してください。下図の赤枠部分が記入したユーザーコードです。

(2) 上記の赤枠のコードを自分のプロジェクトファイル main.c にコピーし、コンパイルしてダウンロードすると、動作を確認できます。

技術サポート

資料のダウンロード・技術サポートについては、HumansX株式会社までお問い合わせください。