実験3　音声制御による四輪メカナムホイール台車の運動実験

実験の目的：

DMA の基本的な動作原理を理解し、DMA を用いた音声モジュールのコマンド受信を習得します。
四輪駆動メカナムホイール台車の運動原理に基づき、音声で台車の動きを制御します。
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ができるようになります。

DMA の基本原理：

DMA：Direct Memory Access（ダイレクトメモリアクセス）の略です。DMA 転送は、あるアドレス空間から別のアドレス空間へデータをコピーするもので、周辺機器とメモリ間、またはメモリとメモリ間で高速なデータ転送を実現します。

DMA の転送モード：DMA の役割はデータを直接転送することで、従来のデータ転送で必要だった CPU レジスタを介する処理を省きます。主に次の 4 種類のデータ転送があります。

周辺機器からメモリへ
メモリから周辺機器へ
メモリからメモリへ
周辺機器から周辺機器へ

周辺機器とメモリ間で通信する際のデータの流れは次のとおりです。

四輪駆動メカナムホイール台車の基本運動原理：

四輪駆動の全方向メカナムホイール台車は全方向への平行移動が可能で、各ホイールの回転方向を制御する必要があります。台車の移動方向と各ホイールの回転方向の関係は次のとおりです。


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

応用シーン

屋内サービスロボット、教育用ロボット、スマート倉庫の AGV などのシーンに適しており、音声コマンドによって柔軟な全方向移動制御を実現します。

機能要件：

音声で台車ロボットの動作（前進、後退、旋回、平行移動、停止など）を制御します。

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、音声認識センサー * 1、スピーカー * 1

試作機の構成：

実験7 サスペンション付き矩形フレームおよび四輪駆動全方向メカナムホイール台車の構造設計

回路の接続：

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】

バッテリーおよび電源モジュールの使用上の注意（必読）

電子モジュールの紹介（リンクをクリックすると、音声認識モジュールの基本的な紹介を確認できます）

ピンの説明

まず モーター M1～M4、USART2 インターフェース の全体を把握し、ピン表に従って配線を行います。

台車のモーター	STM32 インターフェース	音声認識モジュール	STM32 メインボード
左前輪モーター	M1	5V	5V
右前輪モーター	M2	T	USART2_RX
左後輪モーター	M3	R	USART2_TX
右後輪モーター	M4	GND	GND

実機の配線

配線のコツ：エンコーダモーターの接続ケーブルには逆挿し防止構造があります。ソケットの向きをよく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

ソースファイル：16.Voice_Interaction_Robot.rar

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）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 "dma.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "motor.h"
#include "config.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_DMA_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_TIM8_Init();
  MX_TIM5_Init();
  MX_TIM6_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Motor_Init();                           //编码电机引脚初始化
  dwt_init();                             //DWT_start
  enable(&m1);                            //M1 编码电机使能
  enable(&m2);                            //M2 编码电机使能
  enable(&m3);                            //M3 编码电机使能
  enable(&m4);                            //M4 编码电机使能

  //设置电机连接轮胎半径为0.0475米,如果没有设置轮胎半径, 则半径默认为 0.0325米
  set_radius(&m1, 0.0475);                //设置M1电机连接的轮子半径0.0475米. 单位：米
  set_radius(&m2, 0.0475);                //设置M2电机连接的轮子半径0.0475米. 单位：米
  set_radius(&m3, 0.0475);                //设置M3电机连接的轮子半径0.0475米. 单位：米
  set_radius(&m4, 0.0475);                //设置M4电机连接的轮子半径0.0475米. 单位：米

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim6);          //开启基础定时器TIM6
  USART2_DMA_Start();                     //Start DMA Receive
  float set_target_vel = 0.1;             //设定小车全局速度. 单位：m/s
  /* USER CODE END 2 */

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

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    USART2_Background_Poll();
    HAL_Delay(100);
    if(recv_voice_data == 0){                 //如果没有接收到任何数据
        car_move( 0.0, 0.0, 0.0);             //小车停止
    }

    if(recv_voice_data == 1){                 //如果接收到前进指令
        car_move( set_target_vel, 0.0, 0.0);  //小车前进
    }

    if(recv_voice_data == 2){                 //如果接收到后退指令
        car_move(-set_target_vel, 0.0, 0.0);  //小车后退
    }

    if(recv_voice_data == 3){                 //如果接收到左转指令
        car_move( 0.0, 0.0, set_target_vel*2);//小车左转
    }

    if(recv_voice_data == 4){                  //如果接收到右转指令
        car_move( 0.0, 0.0, -set_target_vel*2);//小车右转
    }

    if(recv_voice_data == 5){                  //如果接收到左平移指令
        car_move( 0.0, set_target_vel, 0.0);   //小车左平移
    }

    if(recv_voice_data == 6){                  //如果接收到右平移指令
        car_move( 0.0, -set_target_vel, 0.0);  //小车右平移
    }

    if(recv_voice_data == 7){                  //如果接收到停止指令
        car_move( 0.0, 0.0, 0.0);              //小车停止
    }

  }
  /* 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);
  }
  //USART2_Background_Poll();
}
/* 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構築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、バージョン欄をクリックして、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）。

デフォルトの機能：

**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 のモードを 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、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. 入力周波数の値を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK のパラメータを 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チェックされます。周波数の設定が誤っている場合は、赤色でエラーが表示されます。

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 → 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 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各自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. よくある設定の 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 の設定 ― モーターおよび音声モジュールの DMA 設定

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、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（チャネル 4）：PWM Generation CH4

この時点でピンが緑色に変わり、正常に設定が完了したことを示します。

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。

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 のドロップダウンから Input mode を選択して、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。

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 のドロップダウンから External Interrupt Mode with Rising/Falling edge trigger detection を選択して、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。

モーターの割り込み設定

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 をクリックして Activated を選択します。下部の 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について Enabled にチェックを入れます。

音声モジュールの DMA 設定

ヒント：USART1 は STM32 メインボードと PC 間の通信インターフェース、USART2 は STM32 メインボードと音声モジュール間の通信インターフェースで、高速にデータを取得するため DMA 受信モードに設定します。

ピン	機能
PD5	USART2_TX
PD6	USART2_RX

ピンの設定

(1) GPIO をクリックし、Pinout view 画面下部で PD5 を検索すると、対応するピンが点滅します。点滅しているピンを左クリックして USART2_TX を選択します。続いて PD6 を検索し、点滅しているピンを左クリックして USART2_RX を選択します。（この時点では USART2 が未設定のため、ピンに黄色の警告が表示されます。）

(2) Connectivity → USART2 をクリックし、モードを Asynchronous に設定します（USART2 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）。

(3) DMA の設定：DMA Settings パネルをクリックします。

Add をクリックし、ドロップダウンから USART2_RX を選択します。

設定完了後の状態は下図のとおりです。

最後に左側の NVIC をクリックし、設定した割り込みを全体的に確認します（下図の赤枠でチェックされている項目を参照）。

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。

コードの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：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記述しても構いません。（コード解説）に掲載されているサンプル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) まず音声モジュールにファームウェアを書き込む必要があります：実験3 音声コマンドの生成と書き込み。リンクをクリックして書き込み手順を参照してください。

(2) プロジェクトをダウンロードします。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。

ST-Link と PC の接続ケーブルを抜き、STM32 開発ボードから取り外します。
ファームウェアを書き込んだ音声認識モジュールを台車に固定します。
メインボードのスイッチをオンにし、音声でウェイクアップしてから音声でコマンドを入力し、動作を確認します。

実験結果

まず音声モジュールをウェイクアップし、次に音声でコマンドを入力して台車の動きを確認します。

オフライン音声モジュールへの発話	応答	台車の動作
「土豆土豆」（ウェイクワード）	はい／何をしましょうか	なし
前進	前進	台車が前進
後退	後退	台車が後退
左旋回	左旋回	台車が左旋回
右旋回	右旋回	台車が右旋回
左平行移動	左平行移動	台車が左へ平行移動
右平行移動	右平行移動	台車が右へ平行移動
停止	停止	台車が停止

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 つ目の方法は、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 つ目の方法は、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 */ で終わります。

(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、このフレームワークをもとに実装したい機能を補完・改良しています。/* USER xx で始まり終わるコードを重点的に確認してください。以下の赤色の部分が記述したユーザーコードです。

(2) 上記の赤色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、コンパイルとダウンロード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。

実験3 音声制御による四輪メカナムホイール台車の運動実験