新型無線遙控機器人控制系統設計

摘 要： 系統設計了一種基于Mecanum輪的新型無線遙控機器人，機器人實時將采集的視頻信息通過無線圖傳發送給控制臺，控制臺以第一視角的操作模式，實現對機器人控制，使其完成特定任務。其控制主要由4部分組成：以STM32F405為核心的主控模塊、底盤電機驅動模塊、云臺舵機控制模塊和電源模塊。實驗結果表明，系統實時性強，數據傳輸穩定，可有效完成對移動機器人的靈活控制。

關鍵詞： 機器人； STM32F405； 主控模塊； 驅動模塊

中圖分類號： TN915?34； TP249 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0110?04

Abstract： A new wireless remote control robot based on Mecanum wheel was designed. The robot can send the acquired video information to the console in real time through the wireless image transmission module. The console controls the robot in the first view operation mode， and makes the robot accomplish the specific tasks. The robot’s control section is composed of the main?control module taking STM32F405 as the core， chassis motor driver module， PTZ steering gear control module and power module. The experimental results show that the system has good real?time performance and stable data transmission， and can realize the flexible control of mobile robots.

Keywords： robot； STM32F405； main?control module； driver module

0 引 言

移動機器人作為機器人學的一個重要組成部分，是機器人科學的研究熱點之一，在世界各國越來越受到重視。本設計來源于大學生機器人超級對抗賽，比賽融入機器人研發技術和電子競技元素，紅藍雙方各派5輛機器人戰車，在復雜地形中相互較量，進行射擊對抗，完成指定任務，最終由電子裁判系統判斷比賽勝負。設計將高清圖傳的直觀性、無線遙控的實時性與移動機器人良好的機動能力有效結合，大大增強了機器人的工作能力和使用范圍。

系統以STM32F405嵌入式芯片為核心，完成機器人的軟硬件設計。機器人啟動后，高清圖傳將實時場景傳輸到顯示設備，操作員以機器人第一視角的操作模式，用操作器（鍵盤、鼠標或遙控器）操控機器人。機器人的運動速度以及運動方向由處理器對底盤直流電機輸出的PWM信號來控制。機器人內部有計算被射中次數的傳感器，通過機器人的活力值顯示裝置，直觀反映機器人當前擊打狀況，被攻擊次數過多導致活力值不足的機器人會被自動切斷電源。無線遙控機器人系統平臺總體結構如圖1所示。

1 系統硬件設計

根據設計要求，本系統主要由STM32F405主控模塊、底盤直流電機驅動模塊、云臺舵機控制模塊、電源模塊和無線通信等模塊構成。系統框圖如圖2所示。

操作器通過無線通信模塊與STM32F405控制器通信，傳輸控制命令。控制器根據接收的控制命令對機器人進行相應的操作。控制器收到控制底盤直流電機命令時，給直流電機輸出PWM信號，通過調節4個Mecanum輪的轉向和速度實現機器人的全方位變速移動[1]。

2 主要模塊設計

2.1 主控模塊

系統選用嵌入式微處理器STM32F405，該芯片使用ARM先進架構Cortex?M4內核，32位精簡指令集的核心運行頻率高達168 MHz，15個I/O端口用于連接外部設備，并集成了3個ADC、2個DAC、定時器、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器等在內的整套先進外設。4個PWM定時器用于驅動底盤4個直流電機，2個PWM定時器用于驅動云臺舵機，1個ADC用于底盤H橋輸出電流的過流保護，2路通信接口分別用于遙控器接收輸入和調試等。

主控模塊原理圖如圖3所示。

2.2 底盤直流電機驅動模塊

設計了一種H橋驅動電路實現對機器人的運動速度和方向控制，如圖4所示。H 橋的兩個上臂選用IR 公司的P 溝道MOSFET IRF4905，兩片TLP250作為MOS管柵極驅動芯片；兩個下臂選用IR 公司N 溝道MOSFET IRF3205，其驅動芯片選用IR4426。該H 橋電路輸出額定電流達40 A，滿足機器人快速加減速時電機的驅動控制要求，同時在H 橋電路接入0.5 Ω的大功率電阻，實現H 橋電路的電流檢測和保護功能。通過調節STM32F405輸出的四路PWM波的占空比實現對4個直流電機的調速，從而控制機器人4個萬向輪的轉速，完成機器人在平面的全方向移動。

H橋電路可以很方便實現電機的正反轉控制，如電機正向轉動，BG1和BG4導通，此時BG2和BG3截止。反之，BG2和BG3導通，BG1和BG4截止[2]。控制時序圖如圖5所示。

圖6為底盤左前輪電機的邏輯輸出驅動電路，PWM輸出高電平，單片機引腳PB11，74LS32將輸出高電平，PB13若輸出低電平，PB12輸出高電平，則BG4導通，BG3關閉，BG1管導通，BG2管關閉，實現了反轉，保證了用兩個信號就能控制整個電路開關。電壓比較器LM2903實現了電機的過流保護，單片機的DAC輸出電機過流閾值（由多次實驗確定），當電機發生過流時，比較器輸出高電平，封鎖了H橋的控制信號，同時被單片機捕獲，進行保護處理。

2.3 電源模塊

穩定的電源對于一個控制系統來說是至關重要的，關系到系統能否正常運行。系統總的電源供應來自24 V鋰電池，由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量不相同，需要進行電壓調節[3]。摩擦輪電機電調為12 V供電，云臺舵機5 V供電，單片機STM32F405RG需要3.3 V低壓供電。分別使用DC?DC轉壓模塊和穩壓芯片AS1117。

2.4 其他模塊

圖傳模塊采用了以色列AMIMON公司的無線高清圖傳模塊。該模塊采用無壓縮的WHDI圖傳技術，實現了1 080P高清畫質無線傳輸，具有圖像清晰度穩定、延遲短、數據帶寬高達3 Gb/s等優點。同時為了確保機器人與控制臺之間的可靠通信，保障在最低功耗情況下有最大受控范圍，采用DJI的DT7遙控器發射機和DR16接收機，DR16接收機采用D?BUS與主控制器通信連接，采用2.4 GHz射頻技術，可保障多個遙控車終端與控制臺通信的抗干擾性和安全性。

3 系統軟件設計

選用Keil μVision 4軟件開發系統，采用C語言編程，主要控制模塊程序包括底盤運動程序、云臺控制程序、開/關蓋舵機程序和摩擦輪電機控制程序。系統配置及初始化程序包括時鐘配置、延時函數初始化、串口初始以及定時器的初始化[4]。在庫函數中定義多個成員函數，分別代表機器人的不同控制狀態。采用標準鍵盤和鼠標作為控制器，利用無線通信模塊傳輸控制命令。本設計鍵盤采用的數字量與對應的字符含義見表1。

鼠標x軸、y軸數字量的變化范圍是-32 768～32 767，靜止是0。鼠標在x軸位置時，垂直方向的數字量不變，鼠標向左滑動，數字量0～-32 768，代表車體向左轉向；鼠標向右滑動，數字量0～32 767，代表車體向右轉向，x軸數字量絕對值越大，車體轉動角度越大。鼠標在y軸位置時，水平方向的數字值不變，鼠標向上滑動，數字量0～32 767，代表車體云臺向上俯仰；鼠標向下滑動，數字量0～-32 768，代表車體云臺向下俯仰[5]，俯仰的角度有閾值限定。鼠標左鍵，按下為1，不按為0，1代表啟動撥彈電機；鼠標右鍵，按下為1，不按為0，1代表提高主機最大速度。使用了DT7遙控器兩個功能鍵S1與S2，功能鍵分別有1，2，3三個檔位，只使用其中兩個。S1代表摩擦輪電機，3檔打開，2檔關閉；S2代表開蓋電機，3檔打開，2檔關閉。

機器人啟動后，操作員根據機器人圖傳圖像實現對機器人進行控制。

操作器發出動作時，控制器判斷是否接收到信號，若收到信號，則根據接收到的信號，判斷小車應當進行何種動作，從而控制各模塊的互相配合動作，最終實現小車與無線遙控器按鍵相對應的功能[6]。

4 試驗結果與分析

在完成機器人硬件設計、樣機搭建和軟件開發后，在一個設有障礙物的1 000 m2場地中進行測試。結果表明：系統在50 m視距范圍內，數據傳輸穩定，且有良好的響應速率，成功實現了無線遙控機器人靈活完成任務的目的。

圖7是操作員以第一視角操作機器人，無線圖傳回的畫面清晰度高，操作器遙控穩定，無抖動現象。

圖8是機器人在試驗場地里，實時接收控制信號，實現靈活的全方位移動，并發射彈丸完成任務。

5 結 論

本文介紹了一種基于STM32F405的Mecanum輪的無線遙控機器人，闡述了系統硬件模塊設計和軟件設計。其中，驅動模塊H橋電路設計為機器人實現二維空間內做任意方向的移動及任意半徑的轉動提供了硬件支持[7]。此外，機器人具有強的圖像收集、數據預處理、無線傳輸和多任務處理能力，機器人具有豐富的接口和很高的可擴展性，在特殊用途時，可添置相應功能的傳感器或外圍設備。

參考文獻

[1] BRAUNL T. Mobile robot design and applications with embedded systems [M]. Australia： Springer?Verlag， 2008.

[2] 袁濤.H橋功率驅動電路的設計研究[D].成都：電子科技大學，2006.

[3] 高正中，趙麗娜，李世光，等.基于攝像頭的智能車控制系統設計[J].自動化與儀表，2015（6）：1?4.

[4] 劉磊，孫曉菲，張煜.基于STM32的可遙控智能跟隨小車設計[J].電子測量技術，2015，38（6）：31?33.

[5] 李芳昕，譚小群，張洋，等.基于Arduino的Mecanum輪無線遙控避障小車[J].機械制造，2014，52（6）：6?9.

[6] 黃建能，楊光杰.無線遙控小車[J].現代電子技術，2012，35（23）：126?128.

[7] 陳楠，戴勇波.基于DSP的全方位移動平臺無線遙控系統[J].計算機測量與控制，2014，22（10）：3161?3164.