基于STM的輪式移動(dòng)機(jī)器人的研制

張健 蒙靚

摘 要自主移動(dòng)機(jī)器人是經(jīng)過(guò)內(nèi)外部傳感器分析外部環(huán)境與自身情況，在障礙物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自主移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作的機(jī)器人系統(tǒng)。其含有單片機(jī)、傳感器、通信接口以及人工智能等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，本文將研究的為基于STM32輪式移動(dòng)機(jī)器人。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)機(jī)器人 傳感器 人工智能

STM32為系列微控制器，是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核處理器，其可以實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)算，同時(shí)外設(shè)的配置可以帶來(lái)極為優(yōu)異的控制與連接能力。具有先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的功耗控制以及性能出眾的高度集成，可以作為智能移動(dòng)機(jī)器人的控制芯片系統(tǒng)。

1 輪式移動(dòng)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體方案

對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)極為重要，其是整個(gè)系統(tǒng)的核心。本文設(shè)計(jì)的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人，含有障礙物檢測(cè)、自主定位以及避障等功能。依賴于這些功能，研究的控制系統(tǒng)含有：電源模塊、微控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通訊擴(kuò)展模塊等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主控器的電壓為+3.3V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需要的電源為+12V，為此選擇+12V作為系統(tǒng)的主電源，+3.3V經(jīng)過(guò)電路內(nèi)部添加電源轉(zhuǎn)換芯片獲取。轉(zhuǎn)換芯片為L(zhǎng)M1117進(jìn)行，在輸入與輸出兩側(cè)添加電容，降低了電源擾動(dòng)的干擾，使得系統(tǒng)的可靠性大幅度提升。

1.3 微控制器模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的為ST公司半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32芯片作為移動(dòng)機(jī)器人的中央控制器，工作的頻率可以達(dá)到72MHz，實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)含有高速儲(chǔ)存器，豐富的增強(qiáng)型I/O端口與連接兩條APB總線外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于外設(shè)備的控制與聯(lián)通。處理器含有多種低功耗模式與靈活的時(shí)鐘控制模式，可以依賴于設(shè)計(jì)的需要開展合理的配置。

基于主控器STM32的最小系統(tǒng)硬件電路含有電源控制、復(fù)位電路、晶振電路以及JTAG接口電路等。對(duì)于電源控制電路，為提升轉(zhuǎn)換的精確度，ADC使用的是獨(dú)立電源，自動(dòng)屏蔽來(lái)自印刷電路板上面的毛刺干擾。在復(fù)位電路模塊，復(fù)位操作主要是對(duì)于系統(tǒng)開展新的初始化，除了開展正常的開啟之外，在程序運(yùn)行出錯(cuò)或者是系統(tǒng)鎖死的情況下，都是可以通過(guò)復(fù)位開展系統(tǒng)的初始化，本文采用的按鈕復(fù)位的模式。

對(duì)于晶振電路，STM32上電復(fù)位之后默認(rèn)使用其內(nèi)部的晶振，如果外部連接的為8MHz晶振，可以自動(dòng)的切換到外部的8MHz晶振，并最終PLL倍頻率到72MHz，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的為8MHz外部晶振，同時(shí)連接的32KHz是為RTC提供時(shí)鐘信號(hào)。向主控制器下載程序采用的為JTAG接口，其為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試協(xié)議，其應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)ISP，也就是對(duì)于控制器所含有的FLASH等器件進(jìn)行編程操作。

1.4 障礙物的檢測(cè)

本文采用的為紅外光電傳感器，其通過(guò)物體對(duì)紅外光電輻射出的紅外線產(chǎn)生的有無(wú)強(qiáng)弱而檢測(cè)物體的有無(wú)。光電開關(guān)會(huì)將輸入的電流 轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)輸出，接收模塊通過(guò)判定接收的光線強(qiáng)弱與有無(wú)對(duì)于目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

本文選擇的紅外開關(guān)性能參數(shù)如下所示：電壓為5VDC，電流為100mA，測(cè)量的范圍是3-50cm。本文選擇的紅外開關(guān)為數(shù)字型傳感器，正常情況下沒有檢測(cè)到障礙物時(shí)傳感器輸出為高電平，在檢測(cè)到障礙物的時(shí)候傳感器輸出的為低電平。實(shí)際測(cè)量的死后，將光電開關(guān)連接的I/O口設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，如果主控器檢測(cè)是障礙物引起的中斷后，就可以判斷到底為哪一路光電開關(guān)檢測(cè)到的障礙物，進(jìn)而判定障礙物的確切位置，進(jìn)而采取相關(guān)的措施來(lái)規(guī)避。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

輪式移動(dòng)機(jī)器人使用的為直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)其行走功能，行走的時(shí)候?yàn)榍昂髢蓚€(gè)方向，避開障礙物的時(shí)候需要調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)動(dòng)方向的變換通過(guò)改變所加載的電壓極性實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)293D，不僅使得硬件的電路極為簡(jiǎn)化，同時(shí)輸出功率大幅度增加，有利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片服從的為TTL接口的標(biāo)準(zhǔn)，其直接的用來(lái)驅(qū)動(dòng)一些功率較大的負(fù)載，通過(guò)對(duì)于芯片的控制信號(hào)輸入端開展邏輯的編輯就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化，也就是形式方向的調(diào)整。同時(shí)因?yàn)長(zhǎng)293D芯片在工作的時(shí)候發(fā)熱量較低，體積小等特色，芯片可以獨(dú)立的控制兩個(gè)電機(jī)，為此十分適合于本文的需求。

2 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

輪式移動(dòng)機(jī)器人控制的程序主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，處理紅外傳感器測(cè)距、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)、外部無(wú)線通信指令接收等。在接收得到外部指令的時(shí)候，會(huì)執(zhí)行相關(guān)的程序，假如沒有接收指令，則運(yùn)算的是障礙物的檢測(cè)程序，假如檢測(cè)前方?jīng)]有障礙物出現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人向目標(biāo)行走。如果傳感器檢測(cè)到前方具有障礙物，則進(jìn)入到避障處理的子程序，移動(dòng)機(jī)器人實(shí)施其含有的避障操作，最后通過(guò)CAN實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。如圖2所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，不管是在科學(xué)探索領(lǐng)域還是工業(yè)領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用，其是基于STM32為主控器，系統(tǒng)完成的工作含有以下幾個(gè)層面：

首先在充分考慮智能輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的技術(shù)上，通過(guò)STM32作為移動(dòng)機(jī)器人的控制核心，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能為電源模塊、微控制模塊、障礙物檢測(cè)模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。通過(guò)Keil MDK開展軟件的編寫，為后續(xù)的維護(hù)以及代碼升級(jí)等提供了便利。

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作者單位

長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖南省長(zhǎng)沙市 410114