実験9 四輪駆動ステアリングホイール（操舵輪）シャーシの走行実験

実験の目的：

PIDアルゴリズムを理解し、PIDでシャーシの速度を正確に制御して走行を実現します。
四輪駆動操舵輪シャーシの基本的な運動原理を理解し、プログラムで制御します。
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。

基本的な運動原理：

四輪駆動操舵輪シャーシは、サーボを連携させて各ホイールの角度を調整し、シャーシの動きを制御します。

機能要件：

四輪駆動操舵輪シャーシの前進、後退、操舵などの動作制御を行います。

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 電池ボックス * 1、リチウム電池 * 3、エンコーダ付きモーター 30*4、エンコーダモーターケーブル 2.54*4、サーボ * 4、サーボ接続ケーブル * 4

試作機の構成：

実験9 四輪駆動操舵輪シャーシの構造設計

回路接続：

ハードウェアモジュール

ヒント：開発ボード、開発環境の設定、電源モジュールの基本的な使い方に事前に慣れ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】

電池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

ピンの説明

ハードウェア	STM32 インターフェース
エンコーダ付き DC モーター	M1
エンコーダ付き DC モーター	M2
エンコーダ付き DC モーター	M3
エンコーダ付き DC モーター	M4
サーボ 1	PA2
サーボ 2	PA3
サーボ 3	PH9
サーボ 4	PH6

まず M1、M2、M3、M4 インターフェース とサーボインターフェースの全体配置を把握してから、ピン表に従って配線してください。

実機配線

配線のコツ：エンコーダモーター用ケーブルは逆挿し防止設計になっています。ソケットの向きを確認してから接続してください。

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

ソースコードのリンク：

4.Basic_Mobility_Experiment/09.4W_4SWC.zip · Unirobot/Unirobot_STM32F407IGT6 - Gitee.com

プログラムコード

コアコード：main.c。プロジェクト全体のコードは（ソースコードのリンク）から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"
#include "motor.h"
#include "DWT_time.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_TIM1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_TIM8_Init();
  MX_TIM5_Init();
  MX_TIM6_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_TIM12_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Motor_Init();                           //motor init
  dwt_init();                             //DWT_start
  enable(&m1);                            //m1 enable
  enable(&m2);                            //m2 enable
  enable(&m3);                            //m3 enable
  enable(&m4);                            //m4 enable

  //If omitted here, the radius defaults to 0.0325
  set_radius(&m1, 0.0325);                //set m1 wheel radius. unit: m
  set_radius(&m2, 0.0325);                //set m2 wheel radius. unit: m
  set_radius(&m3, 0.0325);                //set m3 wheel radius. unit: m
  set_radius(&m4, 0.0325);                //set m4 wheel radius. unit: m

  Servo_Init();                           //servo init

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);          //Base TIM6 start

  /* USER CODE END 2 */

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

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    servo_write270(1, 135);             //servo1 init angle
    servo_write270(2, 135);             //servo2 init angle
    servo_write270(3, 135);             //servo3 init angle
    servo_write270(4, 135);             //servo4 init angle
    car_move( 0.2, -0.2,  0.2, -0.2);   //car forward 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0,  0.0);   //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);


    car_move(-0.2,  0.2, -0.2,  0.2);   //car back 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0,  0.0);   //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);


    servo_write270(1, 45);              //servo1 move to angle
    servo_write270(2, 225);             //servo2 move to angle
    servo_write270(3, 225);             //servo3 move to angle
    servo_write270(4, 45);              //servo4 move to angle
    car_move( 0.2, -0.2,  0.2, -0.2);   //car trans left 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0,  0.0);   //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);

    car_move(-0.2,  0.2, -0.2,  0.2);   //car trans right 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0,  0.0);   //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
  }
  /* 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 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance == TIM6){
    update(&m1);
    update(&m2);
    update(&m3);
    update(&m4);
  }
}
/* 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 でピン割り当てと周辺機能の初期化設定を行い、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 を起動し、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、バージョン欄をクリックしてから、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発振子）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、システムに高精度なクロック源を供給します。

**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（Pinout）が緑色になります。

緑色の部分をクリックすると、詳細を確認できます。

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. 入力周波数を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK 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。周波数の設定が誤っている場合は赤色で表示されます。

2. MCU の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（任意の名前で構いません）。

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。ただし、ローカルのコンピュータ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、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以下の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「6. よくある設定 Q&A」の Q3 に解決方法があります）

以上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 — 4 つのモーターのパラメータ

M1 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	ユーザーラベル
M1	PE13	TIM1_CH3
	PE14	TIM1_CH4
	PD10	GPIO_Input	M1B
	PG2	GPIO_EXTI2	M1A

GPIO をクリックし、PE13、PE14 ピンを探します。

ピン配置図で PE13 を左クリックし、PE13 の機能として TIM1_CH3 を選択します。同様に PE14 を左クリックして TIM1_CH4 を選択します。詳細は下図を参照してください。（注：ピン割り当て直後はピンがオレンジ色になります。これはピンの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。）

左側の Timers パネルをクリックし、TIM1 を選択してパラメータを設定します。

Channel3：PWM Generation CH3
Channel4（チャンネル 4）：PWM Generation CH4

これでピンの表示が緑色になり、正常に設定されたことを示します。

GPIO をクリックし、ページ下部で PD10 を検索すると、ピンビュー上の PD10 が点滅します。

PD10 を左クリックし、GPIO_Input を選択します。

ユーザーラベルを設定します：設定一覧で PD10 の行をダブルクリックし、右側の GPIO mode のドロップダウンで Input mode を選択し、User Label に M1B と入力します。

GPIO をクリックし、ページ下部で PG2 を検索すると、ピンビュー上の PG2 が点滅します。

PG2 を左クリックし、GPIO_EXTI2 を選択します。

ユーザーラベルを設定します：設定一覧で PG2 の行をダブルクリックし、右側の GPIO mode のドロップダウンで External Interrupt Mode with Rising/Falling edge trigger detection を選択し、User Label に M1A と入力します。

M2 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	ユーザーラベル
M2	PB0	TIM3_CH3
	PB1	TIM3_CH4
	PH14	GPIO_Input	M2B
	PH15	GPIO_EXTI15	M2A

M1 の設定方法を参考にしてください。M2 モーターのパラメータ設定結果は次のとおりです。

M3 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	ユーザーラベル
M3	PC8	TIM8_CH3
	PC9	TIM8_CH4
	PE9	GPIO_EXTI9	M3A
	PE11	GPIO_Input	M3B

M1 の設定方法を参考にしてください。M3 モーターのパラメータ設定結果は次のとおりです。

M4 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	ユーザーラベル
M4	PH10	TIM5_CH1
	PH11	TIM5_CH2
	PD12	GPIO_EXTI12	M4A
	PD13	GPIO_Input	M4B

M1 の設定方法を参考にしてください。M4 モーターのパラメータ設定結果は次のとおりです。

割り込みの設定

タイマーの役割：

モーター用タイマー（TIMxx）：モーターの PWM 出力

TIM6：制御アルゴリズムの実行周期用タイマー

(1) TIM6 をクリックして Activated を選択します。下の NVIC Settings をクリックし、Enabled にチェックを入れます。

(2) NVIC Settings をクリックし、モーターの外部割り込みの Enabled にチェックを入れます。

サーボ SERVO1 の設定

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、PA2 を左クリックして TIM2_CH3 を選択します（注：ピン割り当て直後はピンがオレンジ色になります。これはピンの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 を選択し、Channel3 のドロップダウンで PWM Generation CH3 を選択します。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。

ピンの表示が緑色になれば、正常に設定されています。

サーボ SERVO2 の設定

ピン	タイマー	ユーザーラベル
PA3	TIM2_CH4	SERVO2

GPIO をクリックしてピン PA3 を探し、PA3 を左クリックして TIM2_CH4 を選択します（注：ピン割り当て直後はピンがオレンジ色になります。これはピンの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 を選択し、Channel4 のドロップダウンで 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ます。

PA3 のユーザーラベルを SERVO2 に設定できます。

サーボ SERVO3、SERVO4 の設定

ピン	タイマー
PH9	TIM12_CH2
PH6	TIM12_CH1

GPIO をクリックしてピン PH9 を探し、PH9 を左クリックして TIM12_CH2 を選択します。続いてピン PH6 を探して TIM12_CH1 を選択します（注：ピン割り当て直後はピンがオレンジ色になります。これはピンの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 TIM12 を選択し、Channel1 のドロップダウンで PWM Generation CH1 を、Channel2 のドロップダウンで PWM Generation CH2 を選択します。ピンの表示が緑色になれば、正常に設定されています。

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。

コードが自動的に生成されます。

コード生成が完了しました。

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：たとえば 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：独自の .c ファイルを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作成できます。（コード解説）で示している例を参考に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」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) メインボードのスイッチをオンにして、動作を確認します。

実験結果

4 つのサーボが初期角度まで回転し、車が 2 秒前進して 2 秒停止、2 秒後退して 2 秒停止します。

4 つのサーボが指定角度まで回転し、車が 2 秒左平行移動して 2 秒停止、2 秒戻って 2 秒停止します。

以下の実験結果は参考用です。

リンク

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です。

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ォルダに取り込み、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。

(1) まず参照用プロジェクト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・改良しており、特に /* USER xx で始まり終わるコード部分を確認してください。下図の赤字部分が記入したユーザーコードです。

(2) 上記の赤字部分のコードを自分のプロジェクトの main.c にコピーし、コンパイルとダウンロードを行って動作を確認します。

コミュニケーション

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。