実験4 四輪四駆全方向オムニホイールロボットの運動実験

実験の目的：

モーター PID の応用と、四輪駆動全方向オムニホイールの運動学モデリングを学びます。
四輪四駆全方向オムニホイール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 ペリフェラルピン の設定方法を習得します。
STM32CubeMX を用いて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なります。
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なります。

運動の基本原理：

四輪オムニホイール全方向シャーシは全方向への平行移動が可能で、各車輪の回転方向を制御する必要があります。シャーシの移動方向と各車輪の回転方向の関係は以下のとおりです。


前進	後退

右平行移動	左平行移動

その場で左回転	その場で右回転

機能要件：

シャーシの基本運動制御：前進、後退、左平行移動、右平行移動、左旋回、右旋回、停止。

ハードウェアの準備：

STM32 メインボード V1.3 * 1、ST-Link 書き込みケーブル * 1、3S バッテリーボックス * 1、リチウム電池 * 3、エンコーダモーター30 * 4、エンコーダモーター用ケーブル 2.54 * 4

試作プラン：

実験4 正方形フレームおよび四駆全方向オムニホイール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：ハードウェア・ソフトウェア環境の設定

UNI-STM32開発ボード【V1.3】紹介

UNI-STM32開発環境設定【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）

電子モジュール紹介

ピン説明

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

まず M1・M2・M3・M4 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してください。

実配線

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構造になっているため、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

ソースコードリンク：（HumansX サポートより提供）

プログラムコード

コアコード：main.c

/* 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 "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();
  /* 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

  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 */
    car_move( 0.2,  0.0,  0.0);    //car forward 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0);    //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);

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

    car_move( 0.0,  0.2,  0.0);    //car trans left 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0);    //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);

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

    car_move( 0.0,  0.0,  0.2);    //car turn left 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 0.0,  0.0,  0.0);    //car stop 2000 ms
    HAL_Delay(2000);

    car_move( 0.0,  0.0, -0.2);    //car turn right 2000 ms
    HAL_Delay(2000);
    car_move( 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 でピン割り当てとペリフェラル初期化を行い、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以下のとおりです。

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、該当する行をクリックしてから、Start Project をクリックしてプロジェクト設定を開始します。

プロジェクト設定画面は以下のとおりです。

1.2 クロック設定とコア設定

Pinout & Configuration の System Core で RCC（リセット・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（下図の緑色部分を参照）。

機能：

外部高速水晶発振子（HSE）を接続し、システムに高精度なクロック源を提供します。

**RCC_OSC_IN**：水晶入力ピン。

**RCC_OSC_OUT**：水晶出力ピン（フィードバック信号）。

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（ピンアウト）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次の順に設定します。1. 入力周波数の値を 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、エラー箇所が赤色で表示されます。

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 をクリックしてピンを設定します（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 の 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 プロジェクト管理設定

デフォルトの画面は以下のとおりです。

プロジェクト名を入力します（任意に設定してください）。

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 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を確認します。

（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PCに最新版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各自ダウンロードし、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）

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 ウィンドウを以下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	User Label
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 をクリックし、PE13 の機能として TIM1_CH3 を選択します。同様に PE14 の機能として TIM1_CH4 を選択します。詳細は下図を参照してください。（注：ピン割り当てが完了すると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、対応するペリフェラルがまだ有効になっ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（チャネル4）：PWM Generation CH4

このときピンが緑色に変われば、正常に設定が完了しています。

GPIO をクリックし、画面下部で 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。

User Label を設定します。PD10 の行をダブルクリックして設定項目を開き、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、画面下部で 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。

User Label を設定します。PG2 の行をダブルクリックして設定項目を開き、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	User Label
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以下のとおりです。

M3 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	User Label
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以下のとおりです。

M4 モーターのパラメータ設定

モーター	ピン	パラメータ	User Label
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以下のとおりです。

割り込み設定

タイマーの役割の比較：

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、Activated を選択します。下部の NVIC Settings をクリックし、Enabled を選択します。

(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。

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です）。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。

コードが自動生成されます。

コード生成に成功しました。

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・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作できます。「コード解説」に掲載している事例を参考に、真似しながら学習することもできます。

6. コードの書き込みとテスト

(1) プロジェクトを書き込みます。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）。

書き込み方法は参考リンク（UNI-STM32開発環境設定【V2.0】の「5. プログラムの書き込み」）を参照してください。

(2) メインボードの電源スイッチを入れ、動作を確認します。

実験結果

四輪四駆全方向オムニホイール車は、2秒前進 → 2秒停止 → 2秒後退 → 2秒停止 → 2秒左平行移動 → 2秒停止 → 2秒右平行移動 → 2秒停止 → 2秒左旋回 → 2秒停止 → 2秒右旋回 → 2秒停止の順に動作します。

以下の実験結果は参考用です。

動画リンク

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方法：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) まず参照用のプロジェクトのコードを開きます。main.c 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足・改良します。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。以下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・書き込みを行って動作を確認します。

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。