基于STM32 的四足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張月，杜鑫凱，趙展，魏雯，黃志強(qiáng)

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215104）

0 引言

機(jī)器人在日常生活中得到越來越多的應(yīng)用，并慢慢地融入了人們生活中的各行各業(yè)，極大地解決了生活中的勞動力問題，很大地降低了生產(chǎn)成本，例如：餐廳中的機(jī)器人為人們送餐，自助商店的機(jī)器人在商店自助售賣，工業(yè)機(jī)器人在工廠進(jìn)行加工、分揀等等。特別是在高山、深海、火山、地震等一些環(huán)境比較惡劣的地方，機(jī)器人可以很好地替代人類進(jìn)出這些環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，既減少了人類在這些惡劣環(huán)境中的傷亡指數(shù)，也提高了在惡劣環(huán)境中的作業(yè)效率。例如：在地震中，機(jī)器人通過視覺導(dǎo)航和傳感器可以更有效地感知生命跡象，提高援救指數(shù)。

本文提出了一種基于STM32 的四足仿生機(jī)器人，采用了ARM Cortex M3 內(nèi)核的STM32 單片機(jī)作為核心處理器，設(shè)計了四足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并對四足機(jī)器人整體的穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的能動性進(jìn)行了判斷，提出了一種合理的解決方案。

1 總體設(shè)計框圖

四足仿生機(jī)器人具體的功能實現(xiàn)是以控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，所以四足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)由控制部分、執(zhí)行部分和傳感器三部分組成，在控制部分，電源模塊連接STM32單片機(jī)，STM32 單片機(jī)與舵機(jī)控制板相連，且STM32 單片機(jī)上預(yù)留燒錄上位機(jī)APP 的USB 接口；在執(zhí)行部分，STM32 單片機(jī)與驅(qū)動模塊相連，通過驅(qū)動模塊來帶動數(shù)字舵機(jī)DS041MG；在傳感器部分，WiFi 模塊與上位機(jī)之間進(jìn)行無線通信使得四足仿生機(jī)器人可以流暢地行走[1]。

首先，當(dāng)控制系統(tǒng)上電初始化結(jié)束后，上位機(jī)APP 發(fā)送無線控制信號，經(jīng)過WiFi 模塊接收后，轉(zhuǎn)發(fā)到STM32單片機(jī)；然后STM32 主控芯片與舵機(jī)控制板之間進(jìn)行通信，將信號發(fā)送至舵機(jī)控制板，舵機(jī)控制板將其發(fā)送的信號經(jīng)過處理后，由所有被控舵機(jī)DS041MG 輸出PWM 來改變舵機(jī)的位置，從而使得仿生機(jī)器人實現(xiàn)相對應(yīng)的動作組。四足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

四足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)在硬件電路部分主要包括三個部分，分別為單片機(jī)最小控制系統(tǒng)設(shè)計、WiFi 模塊電路設(shè)計、姿態(tài)傳感器電路設(shè)計。單片機(jī)最小控制系統(tǒng)包括電源輸入、晶振電路、復(fù)位電路、SWD 下載電路等；四足仿生機(jī)器人采用WiFi 模塊通過無線模式與單片機(jī)進(jìn)行通信；WiFi 模塊電路采用了ESP32 模塊，ESP32 集成了WiFi 和藍(lán)牙，優(yōu)于WSP8266，是目前主流的WiFi 模塊；行進(jìn)部分通過舵機(jī)控制板驅(qū)動舵機(jī)來實現(xiàn)。系統(tǒng)總硬件原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總硬件電路圖

■2.1 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)最小控制系統(tǒng)設(shè)計采用STM32F103C8T6 控制，STM32 處理器是目前微處理器領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的處理器之一，它性能高、成本低、功耗小。

它的內(nèi)核是ARM Cortex-M3 系列32 位中央處理器，采用先進(jìn)的技術(shù)和工藝制作而成，它的功能十分強(qiáng)大，擁有多種可供使用的外設(shè)。STM32F103C8T6 為48 引腳，最高工作頻率 72MHz，采用LQFP-48 封裝，它的供電電壓是2V～3.6V，它擁有37 個準(zhǔn)雙口I/O 口，它的內(nèi)部具有64K片內(nèi)Flash，20K 字節(jié)SRAM[2]，可以提升控制器的存儲速度和讀寫速度，其引腳圖如圖3 所示。

圖3 STM32F103C8T6 引腳圖

■2.2 WiFi 模塊電路設(shè)計

ESP32-WROVER-E 是一款通用型WiFi 模組，集成了傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和WiFi，不僅功能非常強(qiáng)大，用途十分廣泛，同時WiFi 支持極大范圍的通信連接，還可以用于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)和要求極高的任務(wù)，具有可擴(kuò)展，自適應(yīng)的特點。

本項目中ESP32 電路設(shè)計圖如圖4 所示，該ESP32 模組將大量器件進(jìn)行了集成，如晶振、濾波器、Flash、射頻匹配鏈路等，極大地簡化了用戶對外圍電路的設(shè)計。比如在芯片上的GPIO6 至GPIO11 用于連接模組上集成的SPI Flash，便不再拉出至模組管腳。該ESP32 采用3.3V 供電，為確保該芯片在上電后可以正常工作，便在EN 管腳處增加了RC 延遲電路，同時EN 管腳還具有復(fù)位功能。該芯片內(nèi)置40MHz 晶振，因此可以省去晶振電路。

圖4 WiFi 模塊電路圖

■2.3 姿態(tài)傳感器電路

本項目的姿態(tài)傳感器采用的是MPU6050，這是一款整合性 6 軸運動處理組件，該傳感器內(nèi)部集成了 3 軸陀螺儀和3 軸加速度傳感器，可以用于連接外部磁力傳感器，含有一個I2C 接口，芯片內(nèi)部自帶有7 路16bit 的ADC 轉(zhuǎn)換電路，其中3 路為陀螺儀、3 路為加速度計、1 路為內(nèi)部溫度傳感器。ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過DMP 處理后，存儲在FIFO 里。單片機(jī)通過對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，完成對MPU的控制。ADD 引腳和INT 引腳分別為從機(jī)地址設(shè)置引腳和中斷輸出引腳，這兩個引腳均懸空[3]。

該傳感器的電路圖如圖5 所示，由圖可以看到該傳感器的接線是比較簡單的，VCC 引腳接入3.3V 工作電壓，通過I2C 接口與MCU 完成通信，SCL 和SDA 分別負(fù)責(zé)設(shè)備間產(chǎn)生同步時鐘脈沖和傳輸串行數(shù)據(jù)。XDA 引腳和XCL 引腳同樣為串行數(shù)據(jù)信號和串行時鐘信號，但XDA 和XCL 用于MPU6050 芯片與其他I2C 傳感器通訊，所以在本系統(tǒng)中不使用這兩個引腳。

圖5 姿態(tài)傳感器電路

3 軟件程序設(shè)計

基于STM32 的四足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求是能夠讓仿生機(jī)器人做到系統(tǒng)開機(jī)正常運行和做到通過APP 下發(fā)指令來達(dá)到控制其運動的能力，所以程序要達(dá)到以下要求：

（1)工作穩(wěn)定：四足仿生機(jī)器人相對于其他物品來說，其優(yōu)勢點在于四足仿生機(jī)器人可以做到許多比較復(fù)雜的動作，對舵機(jī)控制的角度也有一定的要求，所以本系統(tǒng)需要做到工作穩(wěn)定。

（2)自定義動作組：四足仿生機(jī)器人需做到可自定義一些動作組，目前已經(jīng)實現(xiàn)了的動作組包括原地踏步、行走、做俯臥撐、翻滾等。

（3)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸：本設(shè)計采用WiFi 進(jìn)行無線通信，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中可能會出現(xiàn)“數(shù)據(jù)包丟失”的現(xiàn)象，因此下位機(jī)程序需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，保證從底層傳輸給上位機(jī)的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確無誤的，如果底層發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題，需及時將本次數(shù)據(jù)丟棄，重新下發(fā)新的數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)。

■3.1 總體設(shè)計框圖

Android端上位機(jī)APP 可以對機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過WiFi 無線通信按照通信協(xié)議發(fā)送控制指令，然后底層程序通過WiFi 無線通信來接受上位機(jī)APP 按照通信協(xié)議發(fā)出的控制指令，最后由底層程序來控制舵機(jī)完成指定的動作。總體設(shè)計框圖如圖6 所示。

圖6 總體設(shè)計框圖

■3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

首先當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)的時候，首先會初始化界面，等待初始化結(jié)束后，會進(jìn)入等待WiFi 連接的界面，如若WiFi 未完成連接則需返回至界面初始化重新配置，如果WiFi 成功連接，則用戶可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置來調(diào)整四足仿生機(jī)器人的初始姿態(tài)，然后可以操作動作按鍵來按照通信協(xié)議發(fā)出的控制指令，修改指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，最后由底層程序來控制舵機(jī)完成指定的動作[4]。上位機(jī)軟件設(shè)計流程圖如圖7 所示。

圖7 上位機(jī)軟件設(shè)計流程圖

■3.3 底層程序設(shè)計

系統(tǒng)通電后會首先自檢各個功能，當(dāng)初始化配置檢查無誤后，然后會對當(dāng)前WiFi 進(jìn)行連接，如果發(fā)現(xiàn)連接不成功會啟動自動配網(wǎng)模式，此時用戶開啟上位機(jī)APP 即可連接網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后蜂鳴器響一聲自動與四足仿生機(jī)器人進(jìn)行連接，隨后等待WiFi 模塊按照通信協(xié)議發(fā)送運動指令，如若協(xié)議及指令正確且解析出有效數(shù)據(jù)則驅(qū)動舵機(jī)進(jìn)行運動；如若指令解析失敗，則會按照解決方案重新初始化配置然后再發(fā)送運動指令，直至解析出有效數(shù)據(jù)使得指令正確。這樣做的目的就是為了保證數(shù)據(jù)的正確性和在傳輸過程中數(shù)據(jù)包丟失的概率。底層程序設(shè)計流程圖見圖8 所示。

圖8 底層程序設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在初步完成硬件部分和軟件部分后，需要對仿生機(jī)器人進(jìn)行組裝，并對其功能進(jìn)行測試。在充分地調(diào)試后，便可以驗證該系統(tǒng)的硬件或軟件部分是否存在一些問題，并將發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行匯總、整理，然后對應(yīng)解決出現(xiàn)的問題，最終完成該項目。

■4.1 WiFi 模塊調(diào)試

首先需要對固件進(jìn)行燒錄，然后對WiFi 的賬號和密碼進(jìn)行設(shè)置，并將其保存下來下載到固件里，在按下復(fù)位按鍵后，代碼運行結(jié)果中會出現(xiàn)一個IP 地址，這個就是控制器的訪問地址，然后打開仿生機(jī)器人機(jī)身下的開關(guān)，等待系統(tǒng)完成初始化后，打開手機(jī)WiFi 嘗試連接設(shè)置好的WiFi，在連接成功后說明WiFi 模塊正常，如圖9 所示。當(dāng)按下開關(guān)后蜂鳴器長時間報警，且無法搜索到WiFi 時，說明該仿生機(jī)器人電量不足。

圖9 WiFi 連接

■4.2 舵機(jī)調(diào)試

在完成連接后打開控制器，拖動高度調(diào)節(jié)下方的滑塊，舵機(jī)會發(fā)生轉(zhuǎn)動，可以對仿生機(jī)器人機(jī)身與地面之間的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同數(shù)值下腿部的狀態(tài)不同，設(shè)定的初始值為110mm，腿部狀態(tài)如圖10 所示。

圖10 舵機(jī)調(diào)試

■4.3 總體調(diào)試

在軟件設(shè)計時需要對該仿生機(jī)器人運動時的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，確保在運動過程中保持平衡，在所有數(shù)值設(shè)定好后，連接WiFi，進(jìn)入控制器，就可以對該仿生機(jī)器人進(jìn)行控制。拖動控制器上方的圓盤就可以控制它運動，當(dāng)圓盤指向不同的方向，它就可以向不同的方向運動，如圖11 所示。

5 總結(jié)語

本設(shè)計完成了一個基于STM32 核心微控制器的四足仿生機(jī)器人，此設(shè)計主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本文設(shè)計的四足仿生機(jī)器人可以完成緩慢行走，跑步行走，上樓梯，保持平衡、手機(jī)端控制等功能。手機(jī)移動端控制時，可以對它的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、前后平移、高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，關(guān)閉和開啟踏步模式、陀螺儀，和預(yù)期效果基本相同。

該機(jī)器人能夠很好地解決生活中的勞動力問題，很大地降低了生產(chǎn)成本，特別是在地震救援，醫(yī)療領(lǐng)域以及公共服務(wù)等方面可以有著突出的貢獻(xiàn)，可見在該方向做深入研究具有重要的意義。