基于STM32的自動循跡布障小車設(shè)計*

金愛國 ，金貴陽 ，孫千里 ，胡燕海

（1.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能裝備研究所，浙江 寧波 315800；2.寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

0 引言

近年來，智能小車的應(yīng)用范圍越發(fā)廣泛，涉及生活的方方面面，包括無人駕駛、物料搬運、自動分揀等，大大提高了工作效率與用戶體驗感[1-3]。而如何控制智能小車沿著預(yù)定的軌跡穩(wěn)定快速運行則是設(shè)計的難點所在[4-6]。

課題組基于全國大學(xué)生機器人大賽Robotac比賽中的障礙挑戰(zhàn)賽項目設(shè)計了一款基于PID算法的自動循跡布障小車。該小車基于模塊化設(shè)計理念，以STM32F429IGT6為主控核心，通過CAN總線分別對直流電機、灰度傳感器、電磁閥等進(jìn)行控制，使小車沿著循跡條快速運行，且在預(yù)設(shè)的位置完成布障任務(wù)[7-8]。

1 小車整體方案設(shè)計

為提高自動小車運行的靈活性，車輪選用麥克納姆輪，以輕易地完成多個角度的移動[9]。通過直流電機對麥克納姆輪進(jìn)行控制，每個電機設(shè)有獨立的電機驅(qū)動板。通過改變四個電機的轉(zhuǎn)動方向，可以實現(xiàn)前后左右，左前左后，右前右后等旋轉(zhuǎn)動作。在自動車底盤四周的邊緣處依次安裝四個8路灰度傳感器模塊，用于不同方向的循線。小車還搭載了兩個電磁閥依次控制兩個氣缸運動，實現(xiàn)布障功能。為了防止車輛跑偏，在主控板上外接JY61陀螺儀模塊，實時糾正車輛的方向[10]。各功能模塊并聯(lián)在CAN總線上，與主控板上的微控制器進(jìn)行通信，大大提高了自動小車的實時性。自動小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 自動小車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

如上圖所示，將11.1 V鋰電池接到電源板上，通過電源板引電至各個模塊，分別給主控板、電機驅(qū)動模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、灰度傳感器模塊同時供電。主控板通過CAN總線和電機驅(qū)動模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、灰度傳感器模塊、JY61陀螺儀進(jìn)行通信，傳輸有關(guān)數(shù)據(jù)。

2 各功能模塊設(shè)計

為提高布障效率和運行可靠性，該循跡小車硬件部分采用模塊化設(shè)計，包含電源板、主控板、電機驅(qū)動模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、灰度傳感器模塊。主控板主要包含微控制器芯片STM32F429IGT6、電源轉(zhuǎn)化模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、CAN收發(fā)模塊、按鍵模塊、指示燈模塊。電機驅(qū)動模塊包含微控制器芯片STM32F103C8T6、指示燈模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、CAN收發(fā)模塊等。電磁閥驅(qū)動模塊包含微控制器芯片STM32F103C8T6、電壓轉(zhuǎn)換模塊、氣缸控制模塊、CAN通信模塊、指示燈模塊?；叶葌鞲衅髂K包含微控制器芯片STM32F103C8T6、電源穩(wěn)壓部分、8路循跡光敏模塊、獨立按鍵、CAN通信模塊、指示燈模塊。電源板外接11.1 V-2 600 mAh鋰電池，設(shè)計多路接口，分別給主控板、電機驅(qū)動板、電磁閥驅(qū)動板供電。電源板單獨設(shè)計的目的如下：1）減少其主控板的發(fā)熱量，降低故障率，延長板子使用壽命；2）方便為后續(xù)新增加的功能模塊提供電源接口。

2.1 主控板設(shè)計

主控板設(shè)計框圖如圖2所示。電源轉(zhuǎn)換模塊將11.1 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V的電壓，給各部分供電。OLED用于顯示自動小車運行狀態(tài)。獨立按鍵一共有五個，KEY1按鍵按下時，開始校驗自動小車正前方灰度傳感器模塊，校驗完畢時按下KEY5按鍵。類似地，分別按下KEY2、KEY3、KEY4按鍵，依次校驗自動小車左側(cè)、后方、右側(cè)灰度傳感器模塊，校驗完畢時按下KEY5按鍵。灰度傳感器模塊校驗值通過SPI總線保存到數(shù)據(jù)存儲器W25Q64中。通過觀察指示燈的閃爍情況判斷程序是否正常運行。微控制器1通過串口1讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，從而實時修正小車的姿態(tài)。微控制器1通過CAN總線與各功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖2 主控板設(shè)計框圖

2.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

電機驅(qū)動模塊設(shè)計框圖如圖3所示。微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器2，微控制器2通過調(diào)節(jié)PWM占空比的方式，經(jīng)過VNH5019芯片放大工作電流，控制直流電機的運動。獨立按鍵模塊只有一個按鍵KEY6，按下KEY6按鍵可以設(shè)置驅(qū)動板的ID號。如果是右前方的電機，則需將ID號設(shè)為1，ID號沿著逆時針方向遞增。通過觀察指示燈閃爍次數(shù)可以確定驅(qū)動板的ID號，通過觀察指示燈的閃爍情況可以判斷程序是否正常運行。

圖3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計框圖

2.3 電磁閥驅(qū)動模塊設(shè)計

電磁閥驅(qū)動模塊設(shè)計框圖如圖4所示。微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3通過輸出高低電平控制電磁閥的正向或者反向?qū)?，從而控制氣缸的收縮。電磁閥1正向?qū)?，氣?伸出，反向?qū)ǎ瑲飧?縮回；電磁閥2正向?qū)?，氣?伸出，反向?qū)?，氣?縮回。通過觀察指示燈的閃爍情況判斷電磁閥驅(qū)動板程序是否正常運行。

圖4 電磁閥驅(qū)動模塊設(shè)計框圖

2.4 灰度傳感器模塊設(shè)計

灰度傳感器模塊設(shè)計框圖如圖5所示。微控制器4將采集到的循跡光敏模塊的信號通過CAN總線發(fā)送給微控制器1，判斷小車是否循著白線運動。如有偏差，微控制器1則發(fā)送控制命令給微控制器2，通過調(diào)節(jié)四個電機的轉(zhuǎn)動速度和方向來修正小車位置。

圖5 灰度傳感器模塊設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)性能測試

智能小車運行場地圖如圖6所示。自動小車可以在不同背景色的地面沿著白線行走，為了提高循線的穩(wěn)定性，在首次運行之前需要校驗灰度傳感器模塊的靈敏度。具體校驗方法如下：以循3 cm白線為例，將小車四個方向上的灰度傳感器模塊依次放到垂直于白線方向上，按下對應(yīng)的獨立按鍵，開始校驗，來回移動小車，通過觀察主控板上液晶顯示的UI界面的變化即可完成校驗。校驗完成之后即可開始循線。運行前，小車停放在啟動區(qū)，觸發(fā)啟動按鍵之后，沿著左前方向運動到A點，循到白線之后沿著AB方向快速運動到B點，此時主控板微控制器1通過CAN總線發(fā)送命令給電磁閥驅(qū)動板上的微控制器3，微控制器3接收到命令之后使電磁閥1正向?qū)?，將氣?推出，從而完成B點的布障，隨后控制 電磁閥1反向?qū)ǎ瑢飧?縮回。之后沿著BC方向運動到C點，微控制器1發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3收到命令后使電磁閥2正向?qū)?，將氣?推出，從而完成C點的布障，隨后控制電磁閥2反向?qū)ǎ瑢飧?縮回。之后沿著CD方向運動到D點，微控制器1發(fā)送命令給微控制器3，微控制器3收到命令之后使電磁閥2正向?qū)?，將氣?推出，從而完成D點的布障，隨后控制電磁閥2反向?qū)ǎ瑢飧?縮回。之后小車沿著DA方向回到A點，停止運動。也可以通過修改程序讓小車循環(huán)往復(fù)地沿著ABCD方向行走。經(jīng)性能測試，小車布置完所有障礙物只需要10.5 s，且任務(wù)完成度為100%。

圖6 智能小車運行場地圖

4 總結(jié)

課題組設(shè)計了一款基于STM32的自動循跡布障小車。在硬件電路設(shè)計方面，將電源板和主控板單獨設(shè)計，主要有以下優(yōu)點：1）減少主控板的發(fā)熱量，延長板子使用壽命，降低故障率；2）方便后續(xù)為新增加的功能模塊提供電源接口。同時，為了提高小車與各模塊之間通信的實時性，主控模塊與各模塊之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)測試，該智能小車具備快速自動循白線、推桿布障等功能，通過反復(fù)調(diào)試及算法優(yōu)化，能夠保障小車在10.5 s時穩(wěn)定地完成所有任務(wù)。