基于STM32 的六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伍立春，王茂森，黃順斌

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展是一個(gè)重要的科研領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人可分為車輪式移動(dòng)機(jī)器人、履帶式機(jī)器人及其仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人［1］。相對(duì)于輪式和履帶式機(jī)器人來說，足式機(jī)器人對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，幾乎可以在陸地上的任何地方行走。六足行走機(jī)器人是按照三角步態(tài)行走的，每三足為一組，其行走軌跡并非是直線，而是呈”之”字形的曲線前進(jìn)［2］。設(shè)計(jì)六足仿生機(jī)器人，其三維模型如圖1 所示。每條腿都有3 個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)依靠伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，整體共有18 個(gè)關(guān)節(jié)，需要18 個(gè)舵機(jī)才可以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。能夠在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)很容易與之接口。鑒于舵機(jī)廣泛的應(yīng)用，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103VET6 的機(jī)器人控制系統(tǒng)［3］，利用無線遙控收發(fā)器、超聲波傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀、GPS 實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的幾種基本動(dòng)作和自主避障。

1 控制系統(tǒng)硬件電路

控制系統(tǒng)硬件電路主要有3 部分組成:電源部分、主控部分和通信部分［4－5］。

圖1 六足機(jī)器人的三維模型圖

1.1 電源部分

電源部分負(fù)責(zé)給機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件和舵機(jī)供電。在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中，為了避免電流波動(dòng)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，將舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)分開供電。機(jī)器人使用的舵機(jī)型號(hào)是:EKS－05－08，每個(gè)舵機(jī)的工作電流是30 mA，18個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作時(shí)需要0.6 A 的電流，可以使用LM2575S－5 產(chǎn)生5 V 電壓為舵機(jī)單獨(dú)供電，電路如圖2 所示。STM32F103VET6控制系統(tǒng)需要為I/O 引腳和內(nèi)部調(diào)壓器供電，可用AMS1117－3.3產(chǎn)生3.3V 的穩(wěn)壓電源，電路如圖3 所示。

圖2 機(jī)器人舵機(jī)電源電路

圖3 控制系統(tǒng)電源電路

1.2 主控部分

主控部分對(duì)機(jī)器人進(jìn)行集中控制，負(fù)責(zé)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與上位機(jī)的通訊。

a)STM32F103VET6 芯片

STM32F103 是增強(qiáng)型系列高性能的Cortex－M3 32 位的RISC 內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512k 字節(jié)的閃存和64k 字節(jié)的SRAM)，具有增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條APB 總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含3 個(gè)12 位的ADC、4 個(gè)通用16 位定時(shí)器和2 個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口:多達(dá)2 個(gè)I2C 接口、3 個(gè)SPI 接口、2 個(gè)I2S 接口、1 個(gè)SDIO 接口、5 個(gè)USART 接口、一個(gè)USB 接口和一個(gè)CAN 接口。

b)無線遙控收發(fā)器

由于遙控器模塊都有上述的現(xiàn)成產(chǎn)品，采用ASK 調(diào)制方式、超再生、帶解碼、4 路無線收發(fā)模塊，遙控距離50～100 m(開闊地)。無線通信模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊兩部分。發(fā)射器如圖4 所示，接收模塊如圖5 所示。接收模塊左從至右分別為:VT—解碼有效指示輸出腳、D0:D3—四個(gè)控制信號(hào)輸出引腳、VCC—DC5V、GND—負(fù)極、地，根據(jù)發(fā)射端按鍵的不同，可以從D0 到D3 對(duì)應(yīng)的引腳輸出高電平，加載在微機(jī)對(duì)應(yīng)的IO口，當(dāng)單片機(jī)掃描到引腳電平變化時(shí)，可以對(duì)應(yīng)做出運(yùn)動(dòng)控制。

c)超聲波傳感器

超聲波傳感器，主要用于六足機(jī)器人自主避障時(shí)對(duì)障礙物的檢測。與紅外傳感器、微波雷達(dá)等測距傳感器相比，超聲波傳感器指向性好，不易受電磁、光線、灰塵、被測對(duì)象顏色、煙霧等影響，而且超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，成本低，成為移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法［6］。

圖4 發(fā)射器

圖5 接收器

采用HY－SRF05 超聲波測距模塊(圖6)，該模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接收器與控制電路三部分，可提供2 cm～450 cm 的非接觸式測距功能，誤差不超過3 mm，感應(yīng)角度不大于15°。5 個(gè)引腳定義如下:VCC—5 V供電;GND—地線;TRIG—觸發(fā)控制信號(hào)輸入;ECHO—回響信號(hào)輸出;OUT—開關(guān)量輸出。工作時(shí)只需要定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)10 us 以上高電平的脈沖觸發(fā)信號(hào)給TRIG，該模塊將通過超聲波發(fā)射器發(fā)出8 個(gè)40 kHz 脈沖信號(hào)并由超聲波接收器檢測回波。超聲波接收器一旦檢測到回波信號(hào)就通過ECHO 引腳輸出脈沖寬度與障礙物距離成正比的回響信號(hào)，該回響信號(hào)被STM32F103VET6 捕獲、處理成障礙物距離信息。

圖6 HY-SRF05 超聲波模塊

d)加速度計(jì)傳感器

加速度計(jì)傳感器主要用于檢測x、y、z 三個(gè)方向的加速度。本文采用集成三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)功能的LSM303DLH 芯片作為加速度計(jì)傳感器，其主要特性如下:

1)磁力計(jì)的測量范圍從1.3 Gauss 到8.1 Gauss 共分7 檔，用戶可以自由選擇，分辨率可以達(dá)到8 MGauss;

2)具有自檢測功能;

3)加速計(jì)采用12 位ADC，可以達(dá)到1 mg 的測量精度。

4)支持睡眠/喚醒功能;

5)IIC 數(shù)字輸出接口。

加速度計(jì)傳感器的應(yīng)用電路和實(shí)物圖分別如圖7 和圖8 所示，通過IIC 接口輸入STM32F103VET6 中。

圖7 加速度計(jì)原理圖

圖8 加速度計(jì)實(shí)物圖

e)陀螺儀傳感器

三軸陀螺儀主要用于檢測機(jī)身角速度，本文采用意法半導(dǎo)體(ST)生產(chǎn)的低功耗、三軸角速度傳感器芯片L3G4200D，其主要特性如下:

1)3 種可選量程，分別為250/500/2 000 dps，低量程數(shù)值用于高精度慢速運(yùn)動(dòng)測量，而高量程則用于測量超快速的手勢(shì)和運(yùn)動(dòng);

2)IIC/SPI 數(shù)字輸出接口;

3)16 位角速度數(shù)據(jù)輸出、8 位溫度數(shù)據(jù)輸出;

4)集成低通、高通濾波器，用戶可自行設(shè)置帶寬;

5)供電2.4 V～3.6 V，兼容1.8 V 電壓IO 口，支持?jǐn)嚯娂八吣Ｊ?

6)內(nèi)部集成FIFO、溫度傳感器;

7)高抗撞擊能力。

三軸陀螺儀的應(yīng)用電路和實(shí)物圖分別如圖9 和圖10所示，通過IIC 接口輸入STM32F103VET6 中。

圖9 陀螺儀電路圖

圖10 陀螺儀實(shí)物圖

f)GPS

GPS 主要用于機(jī)器人的定位，因?yàn)榧铀俣扔?jì)和陀螺儀組成的捷聯(lián)慣導(dǎo)有時(shí)間積累誤差，在非封閉的地方主要用GPS 定位較合理。采用GPS 芯片SiRF StarⅢ，其主要特性如下:

1)波特率:4 800 bps

2)數(shù)據(jù)輸出電平:同時(shí)具備TTL 電平和RS232 電平

3)定位精度:5 m

4)數(shù)據(jù)輸出接口:DB9 母座

5)供電:5 V

6)數(shù)據(jù)輸出格式:主要解析GPS 推薦定位信息GPRMC

7)天線類型:外置有源GPS 天線

GPS 實(shí)物圖分別如圖11 所示，通過串口輸入STM32F103VET6 中。

圖11 GPS 實(shí)物圖

1.3 通信部分

機(jī)器人的通信部分采用串口和IIC 通信，將USART串口連接到RS232 總線驅(qū)動(dòng)和接收器MAX232 上，并由其將STM32F103VET6 異步通信口的TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平，便于和上位機(jī)通信。機(jī)器人和上位機(jī)通信流程如圖12 所示。超聲波測距傳感器和GPS 的信息需要STM32 的解析、加速度計(jì)和陀螺儀經(jīng)過相應(yīng)的寄存器和數(shù)據(jù)處理用IIC 協(xié)議輸入到STM32 中，最終四者信息通過USART 輸出到上位機(jī)上顯示數(shù)據(jù)。

圖12 機(jī)器人和上位機(jī)的通信的流程圖

2 控制系統(tǒng)軟件部分

在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過STM32 豐富的外設(shè)處理，配置需要用到的時(shí)鐘、IO 口、串口、定時(shí)器等信息。

詳細(xì)過程如下:無線接收模塊收到信號(hào)后，相應(yīng)的I/O引腳電平會(huì)發(fā)生變化，由已存于數(shù)組中的步態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過STM32 的定時(shí)器模塊共使用4 個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4 路通道再加上一個(gè)高級(jí)定時(shí)器的2 路通道，可產(chǎn)生18路變占空比、頻率不變的PWM 波［7－10］;GPS 通過USART2中斷處理接收到的GPRMC 數(shù)據(jù)后，經(jīng)過STM32 的數(shù)據(jù)解析后，再通過USART1 在上位機(jī)上顯示已解析過的數(shù)據(jù);加速度計(jì)和陀螺儀則通過操作相應(yīng)的寄存器將比力和角速度數(shù)據(jù)經(jīng)IIC 傳輸?shù)絊TM32 后用USART1 在上位機(jī)上顯示;超聲波傳感器利用定時(shí)器產(chǎn)生相應(yīng)的觸發(fā)條件，再利用定時(shí)器的溢出中斷捕獲到數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后用USART1 在上位機(jī)上顯示。控制系統(tǒng)軟件流程如圖13 所示。

圖13 控制系統(tǒng)軟件流程圖

3 調(diào)試和實(shí)驗(yàn)

PCB 板上電后，系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，通過讀取遙控器的接收端電平狀態(tài)，從而執(zhí)行前進(jìn)、后退，左行，右行，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備等動(dòng)作;同時(shí)實(shí)時(shí)采集超聲波傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀、GPS 的數(shù)據(jù)。機(jī)器人和傳感器的實(shí)物如圖14所示。

圖14 傳感器通訊調(diào)試和機(jī)器人實(shí)物圖

4 結(jié)語

基于STM32 的高性能和豐富的外設(shè)接口，設(shè)計(jì)了六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)18 個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在地面的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作具有很好的協(xié)同性并實(shí)時(shí)與上位機(jī)通訊。本文主要是硬件方面的實(shí)現(xiàn)，算法方面還需完善的有:加速度計(jì)和陀螺儀組成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS 模塊融合的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以得到最接近真實(shí)的信息［11］。

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