基于STM32的重力遙控智能車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章介紹了一種利用重力感應(yīng)技術(shù)來(lái)控制動(dòng)作的智能遙控小車(chē)，并賦予了小車(chē)一定的對(duì)不同路況進(jìn)行智能感知并采取簡(jiǎn)單應(yīng)對(duì)措施的能力。本設(shè)計(jì)主要利用ADXL345傳感器實(shí)現(xiàn)智能感知，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的動(dòng)作控制。我們通過(guò)改變遙控器的姿態(tài)，即可實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：重力感應(yīng)；ADXL345傳感器；智能感知

引言

重力感應(yīng)技術(shù)在我們的日常生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如，工業(yè)機(jī)器人、定點(diǎn)設(shè)備、醫(yī)療器械、智能電動(dòng)車(chē)、手機(jī)和平板電腦都用到了該技術(shù)。其獨(dú)有的三維姿態(tài)變化控制方式，能夠帶給操作者更加直觀的感受。文章所介紹的智能車(chē)不僅能通過(guò)手中的遙控器控制小車(chē)，還能讓小車(chē)在一定程度上對(duì)不同平整度地形進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)自身對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。

1 總體硬件

硬件系統(tǒng)確定包括：

（1）手持遙控設(shè)備。手持遙控設(shè)備由ADXL345三軸加速度傳感器、STM32單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)模塊、LCD屏組成。ADXL345傳感器為重力感應(yīng)單元，STM32作為控制單元，NRF24L01作為通信單元用于遙控器和小車(chē)之間的數(shù)據(jù)傳遞，TFTLCD實(shí)時(shí)顯示遙控器姿態(tài)變化相對(duì)應(yīng)的加速度、角度等參數(shù)。

（2）被控對(duì)象。被控對(duì)象由小車(chē)底盤(pán)、直流電機(jī)、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、STM32最小系統(tǒng)、NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊以及ADXL345三軸加速度模塊組成。小車(chē)采用8節(jié)5號(hào)可充電鎳氫電池（共9.6V電源）供電，STM32最小系統(tǒng)板接入L298N驅(qū)動(dòng)板上的5V電源和GND接口，與9.6V供電電路共地。在小車(chē)車(chē)架左側(cè)的水平位置處固定好ADXL345三軸加速度傳感器模塊。

圖1 智能小車(chē)控制系統(tǒng)示意圖

由圖1可知，手持遙控器的姿態(tài)變化可以通過(guò)固定在遙控器上面的ADXL345三軸加速度傳感器檢測(cè)出來(lái)。單片機(jī)通過(guò)IIC模擬接口讀取姿態(tài)參數(shù)（轉(zhuǎn)角），在LCD屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并把相關(guān)指令傳遞到NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，由該無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給小車(chē)接收端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的動(dòng)作控制。固定在小車(chē)上的另一個(gè)ADXL345加速度傳感器也可以在小車(chē)行駛過(guò)程中感知z向加速度的變化，用于對(duì)不同地形、不同路面的平整度進(jìn)行感知與檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)行駛速度的控制。

2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是利用MDK5開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行STM32單片機(jī)的程序編寫(xiě)。手持遙控器部分的相關(guān)程序包括：姿態(tài)檢測(cè)子程序、姿態(tài)參數(shù)處理子程序、NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊通信子程序。被控小車(chē)部分的相關(guān)程序包括：路面檢測(cè)子程序、小車(chē)運(yùn)動(dòng)方式控制子程序。

2.1 姿態(tài)檢測(cè)子程序

手持遙控設(shè)備的傾斜方向由ADXL345傳感器來(lái)檢測(cè)，手控器向不同方向的傾斜角度可通過(guò)重力加速度在檢測(cè)坐標(biāo)軸上的三個(gè)分量求得。

2.2 姿態(tài)參數(shù)處理子程序

STM32單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并解析，轉(zhuǎn)換為角度變化，對(duì)各軸所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，根據(jù)不同的角度范圍，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊向小車(chē)發(fā)送不同的控制指令，與此同時(shí)將角度值實(shí)時(shí)顯示在LCD屏上，如表1所示。

2.3 路面檢測(cè)子程序

小車(chē)上的ADXL345傳感器能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靈敏檢測(cè)各軸方向上的加速度變化。由于小車(chē)在不同平整度的路面上行駛z軸方向上的加速度變化最明顯。通過(guò)對(duì)z軸加速度變化情況的獲取，即可判斷出加速度的變化。試驗(yàn)中，我們分別選擇了平滑水泥路面、普通磚塊路面、鵝卵石路面作不同平整度的比較，實(shí)時(shí)檢測(cè)z軸加速度的變化情況。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，平整路面上，z軸加速度維持在440mg左右；在磚塊路面上，約在430-510mg的范圍內(nèi)波動(dòng)；在鵝卵石路面上，加速度變化范圍更大，最大已超過(guò)了600mg，最小達(dá)到320mg。

2.4 小車(chē)動(dòng)作控制子程序

STM32單片機(jī)定時(shí)器2和定時(shí)器3的四個(gè)通道可輸出8路PWM波，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出的占空比，來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等。單片機(jī)根據(jù)小車(chē)對(duì)不同地形的智能感知，在平整路面（Az在440mg左右）上輸出占空比為80%的PWM波，430-510mg的范圍內(nèi)輸出60%的PWM波，600mg及以上輸出占空比為40%的PWM波。

3 功能實(shí)現(xiàn)

我們對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，基本功能都能夠得以實(shí)現(xiàn)。遙控器前傾，小車(chē)前進(jìn)，而且將前傾角度分為三個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)小車(chē)的三種前進(jìn)速度。隨角度增大，小車(chē)加速；隨傾角減小，小車(chē)減速。遙控器左傾，小車(chē)左轉(zhuǎn)，同樣將左傾角度分為三個(gè)區(qū)間，三個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)小車(chē)的三種轉(zhuǎn)彎半徑：50cm，20cm，原地轉(zhuǎn)彎，如表2所示。可根據(jù)所在環(huán)境的空間大小自行選擇不同的轉(zhuǎn)彎方式。并且在惡劣路況下可實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)臏p速，可提高小車(chē)環(huán)境能力。

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