基于STM的輪式移動機器人的研制

張健 蒙靚

摘 要自主移動機器人是經(jīng)過內(nèi)外部傳感器分析外部環(huán)境與自身情況，在障礙物環(huán)境中實現(xiàn)對目標的自主移動，進而實現(xiàn)相關操作的機器人系統(tǒng)。其含有單片機、傳感器、通信接口以及人工智能等領域的相關技術，本文將研究的為基于STM32輪式移動機器人。

【關鍵詞】移動機器人 傳感器 人工智能

STM32為系列微控制器，是ST公司推出的基于Cortex-M3內(nèi)核處理器，其可以實現(xiàn)高速的運算，同時外設的配置可以帶來極為優(yōu)異的控制與連接能力。具有先進的內(nèi)核結構、優(yōu)異的功耗控制以及性能出眾的高度集成，可以作為智能移動機器人的控制芯片系統(tǒng)。

1 輪式移動機器人的硬件設計

1.1 系統(tǒng)的總體方案

對于輪式移動機器人的總體設計，控制系統(tǒng)極為重要，其是整個系統(tǒng)的核心。本文設計的智能輪式移動機器人，含有障礙物檢測、自主定位以及避障等功能。依賴于這些功能，研究的控制系統(tǒng)含有：電源模塊、微控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、通訊擴展模塊等。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

1.2 電源系統(tǒng)的設計

主控器的電壓為+3.3V，電機驅(qū)動所需要的電源為+12V，為此選擇+12V作為系統(tǒng)的主電源，+3.3V經(jīng)過電路內(nèi)部添加電源轉(zhuǎn)換芯片獲取。轉(zhuǎn)換芯片為LM1117進行，在輸入與輸出兩側(cè)添加電容，降低了電源擾動的干擾，使得系統(tǒng)的可靠性大幅度提升。

1.3 微控制器模塊的設計

本系統(tǒng)采用的為ST公司半導體生產(chǎn)的STM32芯片作為移動機器人的中央控制器，工作的頻率可以達到72MHz，實現(xiàn)高速的運轉(zhuǎn)。內(nèi)含有高速儲存器，豐富的增強型I/O端口與連接兩條APB總線外設，實現(xiàn)了對于外設備的控制與聯(lián)通。處理器含有多種低功耗模式與靈活的時鐘控制模式，可以依賴于設計的需要開展合理的配置。

基于主控器STM32的最小系統(tǒng)硬件電路含有電源控制、復位電路、晶振電路以及JTAG接口電路等。對于電源控制電路，為提升轉(zhuǎn)換的精確度，ADC使用的是獨立電源，自動屏蔽來自印刷電路板上面的毛刺干擾。在復位電路模塊，復位操作主要是對于系統(tǒng)開展新的初始化，除了開展正常的開啟之外，在程序運行出錯或者是系統(tǒng)鎖死的情況下，都是可以通過復位開展系統(tǒng)的初始化，本文采用的按鈕復位的模式。

對于晶振電路，STM32上電復位之后默認使用其內(nèi)部的晶振，如果外部連接的為8MHz晶振，可以自動的切換到外部的8MHz晶振，并最終PLL倍頻率到72MHz，本系統(tǒng)設計的為8MHz外部晶振，同時連接的32KHz是為RTC提供時鐘信號。向主控制器下載程序采用的為JTAG接口，其為國際標準的測試協(xié)議，其應用于實現(xiàn)ISP，也就是對于控制器所含有的FLASH等器件進行編程操作。

1.4 障礙物的檢測

本文采用的為紅外光電傳感器，其通過物體對紅外光電輻射出的紅外線產(chǎn)生的有無強弱而檢測物體的有無。光電開關會將輸入的電流 轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘栞敵?，接收模塊通過判定接收的光線強弱與有無對于目標進行探測。

本文選擇的紅外開關性能參數(shù)如下所示：電壓為5VDC，電流為100mA，測量的范圍是3-50cm。本文選擇的紅外開關為數(shù)字型傳感器，正常情況下沒有檢測到障礙物時傳感器輸出為高電平，在檢測到障礙物的時候傳感器輸出的為低電平。實際測量的死后，將光電開關連接的I/O口設置為下降沿觸發(fā)中斷，如果主控器檢測是障礙物引起的中斷后，就可以判斷到底為哪一路光電開關檢測到的障礙物，進而判定障礙物的確切位置，進而采取相關的措施來規(guī)避。

1.5 電機驅(qū)動模塊

輪式移動機器人使用的為直流電機實現(xiàn)其行走功能，行走的時候為前后兩個方向，避開障礙物的時候需要調(diào)速電機調(diào)節(jié)速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)動方向的變換通過改變所加載的電壓極性實現(xiàn)，電機的驅(qū)動芯片為L293D，不僅使得硬件的電路極為簡化，同時輸出功率大幅度增加，有利于電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。

L293D電機驅(qū)動芯片服從的為TTL接口的標準，其直接的用來驅(qū)動一些功率較大的負載，通過對于芯片的控制信號輸入端開展邏輯的編輯就可以實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓的極性變化，也就是形式方向的調(diào)整。同時因為L293D芯片在工作的時候發(fā)熱量較低，體積小等特色，芯片可以獨立的控制兩個電機，為此十分適合于本文的需求。

2 系統(tǒng)的程序設計

輪式移動機器人控制的程序主要任務是實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，處理紅外傳感器測距、電機驅(qū)動以及轉(zhuǎn)速檢測、外部無線通信指令接收等。在接收得到外部指令的時候，會執(zhí)行相關的程序，假如沒有接收指令，則運算的是障礙物的檢測程序，假如檢測前方?jīng)]有障礙物出現(xiàn)，移動機器人向目標行走。如果傳感器檢測到前方具有障礙物，則進入到避障處理的子程序，移動機器人實施其含有的避障操作，最后通過CAN實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。如圖2所示。

3 結束語

本文設計的輪式移動機器人，不管是在科學探索領域還是工業(yè)領域都具有十分重要的應用，其是基于STM32為主控器，系統(tǒng)完成的工作含有以下幾個層面：

首先在充分考慮智能輪式移動機器人結構的技術上，通過STM32作為移動機器人的控制核心，實現(xiàn)各個功能為電源模塊、微控制模塊、障礙物檢測模塊以及電機驅(qū)動模塊等。通過Keil MDK開展軟件的編寫，為后續(xù)的維護以及代碼升級等提供了便利。

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作者單位

長沙理工大學物理與電子科學學院 湖南省長沙市 410114