人工智能小車底盤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海電子工業(yè)學(xué)校 張 帆

人工智能小車底盤控制系統(tǒng)是針對人工智能教學(xué)硬件的小車類底盤所開發(fā)的獨(dú)立控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用STM32F3芯片高性能MCU，在Keil5和STM32CubeMX開發(fā)環(huán)境，集成了四路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制算法，小車車輪（麥克納姆輪）的行駛向量換算，三路車燈控制，由串口驅(qū)動(dòng)的紅外激光測距傳感器（TOF），并提供了一路IIC通訊擴(kuò)展接口。人工智能小車底盤控制系統(tǒng)成本低，響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。

1 STM32 MCU和開發(fā)工具介紹

系統(tǒng)采用STM32F303系列MCU，芯片外型如圖1所示，工作電壓為2.0--3.6V，使用ARM Cortex-M4內(nèi)核（DSP、FPU），運(yùn)行于72MHz。其具有，存儲容量范圍512K字節(jié)；4個(gè)可編程增益的運(yùn)算放大器；7個(gè)快速和超快速比較器；144MHz的快速電機(jī)控制定時(shí)器等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 STM32F303系列MCU

開發(fā)環(huán)境采用Keil5和STM32CubeMX，STM32CubeMX其作為一個(gè)可視化的配置工具如下圖2、3所示，通過一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，可以非常輕松地配置STM32微控制器和微處理器。對于開發(fā)者來說，確實(shí)大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。ST正在逐漸停止對標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫的更新，主推HAL庫。STM32CubeMX就是以HAL庫為基礎(chǔ)，（HAL全稱Hardware Abstract Layer，意為硬件抽象層），HAL庫是STM32開發(fā)生態(tài)中極為重要的組成部分，不過它不單獨(dú)提供，而是以STM32CubeMX拓展包的形式提供。

圖2 STM32CubeMX

拓展包中除HAL庫之外，也有Fatfs、FreeRTOS、STemWin等組件，可以在STM32CubeMX中選擇性的使用。與標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫相比，HAL庫封裝得顯得更加緊湊，并且源代碼通過對外設(shè)的對象化，使“層”的特點(diǎn)非常明顯，大部分外設(shè)也都通過句柄操作，極難見到寄存器的影子。

2 人工智能小車底盤功能

人工智能小車底盤功能分別有電源管理模塊、IIC擴(kuò)展接口、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、麥克納姆輪算法、測距傳感器五個(gè)模塊組成。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人工智能小車底盤功能

（1）電源管理：系統(tǒng)提供一個(gè)心跳維持機(jī)制，用來配合IP5306電源模塊進(jìn)行多路供電管理；關(guān)機(jī)時(shí)停止心跳，待超時(shí)（30s）后電源模塊自動(dòng)停止輸出；開機(jī)后恢復(fù)心跳，即啟動(dòng)電源模塊；心跳的發(fā)送間隔為2s，低電平有效。

（2）IIC擴(kuò)展接口：系統(tǒng)提供一個(gè)基于IIC通訊總線協(xié)議的擴(kuò)展接口，以從機(jī)模式運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)聽接口命令；該接口可與其它IIC從機(jī)設(shè)備共享總線，最多可達(dá)255個(gè)。

（3）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：系統(tǒng)集成了四路高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，具備動(dòng)態(tài)細(xì)分的PWM驅(qū)動(dòng)能力，可實(shí)現(xiàn)低速靜音模式與高速大扭矩的實(shí)時(shí)無縫切換；默認(rèn)的驅(qū)動(dòng)頻率范圍為108至900Hz，對應(yīng)1:25減速步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為12.96至108RPM，調(diào)速步進(jìn)為8RPM；四路驅(qū)動(dòng)可單獨(dú)控制啟停、調(diào)速及剎車等。

圖3 STM32CubeMX操作界面

（4）麥克納姆輪算法：針對四輪小車的行駛動(dòng)作，通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)換算法提供了簡單可靠的控制方式，只需要定義橫移X、豎移Y、自轉(zhuǎn)A三個(gè)參數(shù)即可將對應(yīng)轉(zhuǎn)換后的驅(qū)動(dòng)信號輸出至四路步進(jìn)電機(jī)；基礎(chǔ)的算法原理如下（不包含數(shù)值校驗(yàn)及格式化等）：

當(dāng)X>0時(shí)則小車向左橫移，反之當(dāng)X<0時(shí)則小車向右橫移；

當(dāng)Y>0時(shí)則小車向前行駛，反之當(dāng)Y<0時(shí)則小車向后行駛；

當(dāng)A>0時(shí)則小車向左自轉(zhuǎn)，反之當(dāng)A<0時(shí)則小車向右自轉(zhuǎn)。

（5）測距傳感器：系統(tǒng)支持一路飛行時(shí)間（TOF）測距傳感器通過異步串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，提供10Hz刷新速率的準(zhǔn)實(shí)時(shí)測距數(shù)據(jù)反饋，可用于安全駕駛等教學(xué)場景的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)初始化流程

開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)入初始化流程，首先執(zhí)行系統(tǒng)時(shí)鐘的配置，然后依次初始化GPIO、IIC1、定時(shí)器1、定時(shí)器2、USART1，流程如圖5所示，默認(rèn)時(shí)鐘配置的單片機(jī)主頻為72MHz，兩路定時(shí)器為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供基準(zhǔn)時(shí)序以及電源管理芯片的心跳維持機(jī)制。

圖5 系統(tǒng)初始化流程

4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

動(dòng)態(tài)細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)部分由一個(gè)72KHz的全局定時(shí)器提供時(shí)序基準(zhǔn)，由數(shù)個(gè)計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)GPIO的PWM信號輸出；動(dòng)態(tài)細(xì)分機(jī)制則是通過一個(gè)包含多組正弦、余弦數(shù)據(jù)表的數(shù)組，由當(dāng)前轉(zhuǎn)速來決定使用哪一組數(shù)據(jù)表的基本原理來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速越低時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形越接近正弦波，可有效的降低電機(jī)的噪聲與抖動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速越高時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形越接近方波，使得平均驅(qū)動(dòng)電流上升，可提供相對較大的扭矩力；此外因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)阻力較大時(shí)會出現(xiàn)丟步打滑，利用這個(gè)特性可有效的防止在教學(xué)過程中出現(xiàn)學(xué)生手指卡住導(dǎo)致受傷等的安全隱患。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)器中斷后，依次判斷四路電機(jī)當(dāng)前的各計(jì)數(shù)器狀態(tài)，轉(zhuǎn)速大于0或者小于0時(shí)按細(xì)分表來設(shè)置對應(yīng)GPIO的電平高或低，反之則停止電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號的輸出即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變更時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行平滑過渡，在每個(gè)定時(shí)器中斷周期進(jìn)行最大12Hz的幅度更新，待多個(gè)周期后到達(dá)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；此機(jī)制可有效避免轉(zhuǎn)速變更較大時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流瞬間激增以及電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)影響整車的平衡。

5 測距傳感器

系統(tǒng)通過異步串口（USART）接口協(xié)議進(jìn)行測距傳感器的數(shù)據(jù)通訊，默認(rèn)支持紅外激光型測距傳感器，測距范圍為0至200cm，接口波特率為9600，刷新頻率為10Hz；每次讀取數(shù)據(jù)后緩存至內(nèi)存變量中待后續(xù)使用，即實(shí)現(xiàn)了無等待響應(yīng)的效果。

6 車燈及狀態(tài)燈

系統(tǒng)可控制四路指示燈，分別為三路車燈與一路狀態(tài)燈；其中車燈分別為左前燈、右前燈、剎車燈，可在教學(xué)場景中模擬實(shí)際車輛轉(zhuǎn)向倒車等場景；狀態(tài)燈用來表示當(dāng)前小車的啟動(dòng)或熄火狀態(tài)。

7 IIC接口流程

IIC接口用于擴(kuò)展對接其它設(shè)備如主控板或者各種外部傳感器等，接口運(yùn)行在從機(jī)模式下，使用標(biāo)準(zhǔn)的100KHz收發(fā)速率，可與其它從機(jī)設(shè)備共享總線；當(dāng)系統(tǒng)初始化流程結(jié)束后，則進(jìn)入IIC接口命令的監(jiān)聽循環(huán)中，當(dāng)收到命令后則執(zhí)行指定的操作或返回對應(yīng)的數(shù)據(jù)，詳細(xì)的命令數(shù)據(jù)格式，請參照第八節(jié)。IIC接口流程如圖6所示。

圖6 IIC接口流程圖

8 IIC控制命令

8.1 接口協(xié)議

8.2 發(fā)動(dòng)與熄火

（1）小車發(fā)動(dòng)命令（如表1所示）指令：EN

表1 小車發(fā)動(dòng)命令表

參數(shù)：無

（2）小車熄火命令（如表2所示）

表2 小車熄火命令表

指令：OF

參數(shù)：無

8.3 車燈控制

（1）打開車燈命令（如表3所示）

表3 打開車燈命令表

指令：LT

在作物苗期,壯苗指數(shù)被廣泛應(yīng)用于衡量幼苗生長狀況,用來反映幼苗質(zhì)量的高低,壯苗指數(shù)越大,苗越健壯[8],地下部鮮重是衡量根系生物量累積的重要指標(biāo)[9]。由表3可見,晝溫30℃時(shí),隨夜溫的降低地下部鮮重增加,夜溫25、20℃處理的甜瓜幼苗地下部鮮重較夜溫30℃處理分別提高5.0%和70%。夜溫為15℃時(shí),25/15℃溫度處理的甜瓜幼苗地下部鮮重最大,為0.54 g,比其他2個(gè)處理分別高出35%、64%。壯苗指數(shù)呈相同的趨勢,25/15℃溫度處理下壯苗指數(shù)最大,為0.88。

參數(shù)：第一個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示車燈類型，1表示左前燈、2表示右前燈、3表示剎車燈。

（2）關(guān)閉車燈命令（如表4所示）

表4 關(guān)閉車燈命令表

指令：LF

參數(shù)：第一個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示車燈類型，1表示左前燈、2表示右前燈、3表示剎車燈。

8.4 行駛控制

（1）小車行駛命令（如表5所示）

表5 小車行駛命令表

指令：CS

參數(shù)：第一個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示橫移的方向，1表示左移、0表示右移；第二個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示橫移的速率，范圍為0-100；第三個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示前進(jìn)或后退，1表示前進(jìn)、0表示后退；第四個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示前進(jìn)或后退的速率，范圍為0-100；第五個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示自轉(zhuǎn)的方向，1表示左轉(zhuǎn)、0表示右轉(zhuǎn)；第六個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示自傳的速率，范圍為0-100。

8.5 高級行駛控制

（1）車輪控制命令（如表6所示）

表6 車輪控制命令表

指令：MS

（2）剎車控制命令（如表7所示）

表7 剎車控制命令表

指令：MB

參數(shù)：第一個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示右前輪是否剎車，1表示剎車；第二個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示左前輪是否剎車，1表示剎車；第三個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示左后輪是否剎車，1表示剎車；第四個(gè)字節(jié)的數(shù)值表示右后輪是否剎車，1表示剎車。

8.6 測距傳感器

（1）獲取測距數(shù)值命令（如表8所示）

表8 獲取測距數(shù)值命令表

指令：SG

參數(shù)：無

返回：整型值，表示當(dāng)前測距數(shù)值。

8.7 行駛信息

（1）獲取當(dāng)前車輪速率命令（如表9所示）

表9 獲取當(dāng)前車輪速率命令表

指令：VG

參數(shù)：第一個(gè)參數(shù)的數(shù)值表示車輪類型，1表示右前輪、2表示左前輪、3表示左后輪、4表示右后輪。

返回：第一個(gè)參數(shù)表示轉(zhuǎn)動(dòng)方向，1表示正轉(zhuǎn)、0表示反轉(zhuǎn)；第二個(gè)參數(shù)表示轉(zhuǎn)動(dòng)速率，范圍為0-100。

結(jié)束語：本文通過STM32F303系列MCU作為主控器，整體構(gòu)建了人工智能小車底盤控制系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)置了針對步進(jìn)電機(jī)的高性能動(dòng)態(tài)細(xì)分驅(qū)動(dòng)算法，步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)從而帶動(dòng)麥克納姆輪小車進(jìn)行平面內(nèi)的全向移動(dòng)，并對算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)低速下的細(xì)分驅(qū)動(dòng)以及高速時(shí)的方波驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行無縫切換，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低速低噪聲與高速大扭矩的效果，同時(shí)，通過獨(dú)立的IIC通訊控制接口，實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)響應(yīng)主控系統(tǒng)的下發(fā)命令并執(zhí)行，大大的提高了底盤控制系統(tǒng)的性能。