基于stm32的自動定位識別彈藥拋射機器人硬件設計

周永宏　王月紅

摘 要：本文介紹一種基于stm32單片機的自動定位識別彈藥拋射機器人，該機器人采用三輪全向輪作為底盤，實現(xiàn)全方位移動，使用陀螺儀編碼器作為移動機器人平面定位的傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)移動機器人的準確定位，達到毫米級定位精度，使用攝像頭識別繡球的顏色來控制機器人發(fā)射繡球的位置，使用絲桿滑臺來調(diào)節(jié)繡球的發(fā)射角度，使用氣缸發(fā)射繡球。該機器人定位迅速、準確、攝像頭識別準確、結構簡單。

關鍵詞：三輪全向輪底盤;陀螺儀;絲桿滑臺;氣缸發(fā)射;stm32

隨著信息的技術日趨成熟，智能機器人產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。人們也越來越希望讓智能機器人來代替人類做繁重、重復以及危險的工作。為了模擬軍用投彈機器人，本文將基于stm32單片機，設計一款能準確定位、能識別彈藥（以繡球代替）顏色、能調(diào)節(jié)發(fā)射角度并能將彈藥（以繡球代替）拋射至指定位置的智能機器人。

1 系統(tǒng)總體設計

移動機器人采用陀螺儀編碼器獲取實時位置和角度信息，再通過定位系統(tǒng)的卡爾曼濾波算法、互補濾波算法以及A-Fusion算法，保證機器人定位的準確性與可靠性。機器人處理器通過比對陀螺儀編碼器傳遞的實時位置角度信息與目標位置角度信息，再通過定位算法控制機器人移動到目標位置。機器人到達目標位置后利用攝像頭識別繡球的顏色，將繡球的顏色參數(shù)傳回處理器，處理器判斷該顏色的繡球應該在哪個位置發(fā)射便控制機器人移動到相應的位置，到達發(fā)射位置后處理器再控制絲桿滑臺調(diào)節(jié)發(fā)射氣缸的角度，調(diào)節(jié)完畢后控制氣缸發(fā)射繡球，這樣就完成了機器人定位、識別、發(fā)射等功能。圖1給出了系統(tǒng)總體框圖。

2 系統(tǒng)功能模塊設計

（1）主控電路設計。系統(tǒng)主控器采用的是意法半導體公司的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位高性能微控制器stm32。[1]其引腳連接系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 stm32引腳連接圖

（2）運動拋射系統(tǒng)設計。運動拋射系統(tǒng)包括三輪全向輪底盤及拋射系統(tǒng)。[2-3]運動拋射系統(tǒng)設計圖如圖3所示。

①三輪全向輪底盤設計。平臺底盤采用方鋁管焊接而成，使用三臺大功率的空心杯電機作為驅(qū)動，并配有獨立的伺服驅(qū)動器，電機為HFmotor直流伺服電機，功率90W，帶編碼器、減速器。高階的運動控制器具有很多運動控制功能，支持CAN總線傳輸數(shù)據(jù)及RS232接口。

②拋射系統(tǒng)設計。絲桿滑臺和發(fā)射氣缸共同組成了拋射系統(tǒng)。[4-5]絲桿滑臺可以調(diào)節(jié)發(fā)射氣缸的角度，氣缸動能大，收縮快且穩(wěn)定，使得繡球的落點就相對比較穩(wěn)定。

（3）定位系統(tǒng)設計。定位系統(tǒng)采用艾克申的OPS-9全方位平面定位系統(tǒng)，可直接讀取自身的角度位置信息。定位系統(tǒng)不能直接和STM32的串口連接，必須使用RS232轉484模塊進行轉換，將定位系統(tǒng)的RX和TX端分別連接RS232轉484模塊232端的TX和RX，RS232轉484模塊484端的RX和TX與STM32串口的TX和RX端連接。工作原理：通過正交碼盤記錄定位系統(tǒng)小輪子轉動的脈沖數(shù)測定機器人位移，通過高精度陀螺儀測定機器人的角度信息，再通過卡爾曼濾波算法，互補濾波算法獲得機器人的實時位置角度信息，再通過定位算法實現(xiàn)機器人的精確定位和自動導航。另外定位系統(tǒng)需單獨供電，將所有的電源共地即可。

（4）攝像頭模塊設計。攝像頭采用的是OV7670攝像頭，識別顏色的原理為使用DMA將攝像頭采集的數(shù)據(jù)以RGB的格式放進數(shù)組中，再通過遍歷數(shù)組中數(shù)值與相應顏色的RGB數(shù)字進行對比，即可識別出顏色。

（5）JTAG調(diào)試模塊的設計。系統(tǒng)采用的是標準的 JTAG 接法，但是 STM32 還有 SWD 接口，SWD 只需要最少2根線（SWCLK 和 SWDIO）就可以下載并調(diào)試代碼了。

3 結論

本文介紹一種基于stm32單片機的自動定位識別繡球拋射機器人，該機器人采用三輪全向輪結構作為底盤，實現(xiàn)全方位移動，使用陀螺儀編碼器作為移動機器人平面定位的傳感系統(tǒng)，實時傳送機器人在絕對坐標系中的坐標和角度信息，使用攝像頭采集圖像信息，將圖像信息轉換為RGB值，再根據(jù)RGB值識別繡球的顏色告訴機器人應該在哪里發(fā)射繡球;使用絲桿滑臺上下移動來調(diào)節(jié)繡球的發(fā)射角度;使用氣缸作為拋射機構的動力裝置發(fā)射繡球。

參考文獻：

[1]劉清，郭津津，楊秀萍，等.基于STM32微處理器的嵌入式教學實驗平臺開發(fā)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016，68-72.

[2]鄧哲宇.輪式移動機器人運動控制策略研究[D].浙江大學，2015，51-64.

[3]歐陽翠波.發(fā)射裝置的可靠性設計[A].昆明：705所昆明分部，2000，46-74.

[4]周根泉，郭務仁，凌云.機器人結構彈性動力學建模[J].東南大學學報，1989（06），65-71.

[5]馬飛.一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的智能撿球機器人結構設計[J].內(nèi)蒙古師范大學學報（自然科學漢文版），2017（04），30-41.