基于ARM的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究

袁天樂(lè) 賴亭潤(rùn) 李威 李金 李嘯杰

摘 要：設(shè)計(jì)了基于ARM內(nèi)核的移動(dòng)避障機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)分別進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。基于ARM內(nèi)核的機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括主控制器STM32F103ZET6，電源模塊、調(diào)速模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線通信模塊、避障模塊等，并完成了機(jī)器人硬件系統(tǒng)電路原理圖的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)以Keil ？Vision4為開發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主程序、調(diào)速子程序、無(wú)線通信子程序、避障子程序等。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的啟動(dòng)停止、前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、加速減速、加速左右轉(zhuǎn)、減速左右轉(zhuǎn)、調(diào)速移動(dòng)避障等功能。

關(guān)鍵詞：ARM；STM32；移動(dòng)機(jī)器人；避障

1 引言

智能機(jī)器人的快速發(fā)展，可以代替人們完成比較有危險(xiǎn)系數(shù)或簡(jiǎn)單費(fèi)時(shí)低效的工作。移動(dòng)機(jī)器人必須具有較高的智能性，能夠?qū)嵤┎蹲矫媾R環(huán)境的有效信息，并進(jìn)行獨(dú)立判斷，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，讓我們可以更加客觀便捷地采取判斷。移動(dòng)機(jī)器人在一定程度上可以解放勞動(dòng)力，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。可以通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人完成啟停、進(jìn)退、左右轉(zhuǎn)向、加速減速、移動(dòng)避障等動(dòng)作，同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人具有環(huán)境感知能力，自行判斷進(jìn)行下一步動(dòng)作，完成實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)采集。近年來(lái)，我國(guó)科技的發(fā)展緊跟世界科技迅猛發(fā)展的腳步，由于移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)是集嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人工智能、自動(dòng)控制、無(wú)線通信、模式識(shí)別、圖像處理等多種技術(shù)于一體的典型智能機(jī)器人系統(tǒng)，綜合性極強(qiáng)[1]。許多高校都在開展機(jī)器人大賽訓(xùn)練學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，機(jī)器人大賽甚至已成為國(guó)際上各高校相繼舉辦的重點(diǎn)科技競(jìng)技活動(dòng)。

本文重點(diǎn)研究了基于ARM內(nèi)核移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括以STM32F103ZET6為主控制器的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)。

2 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于ARM的移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，硬件設(shè)計(jì)主要有六部分：主控制器、電源模塊、無(wú)線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、調(diào)速模塊以及避障模塊。移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

移動(dòng)避障機(jī)器人性能的優(yōu)劣會(huì)對(duì)其工作的效果產(chǎn)生質(zhì)的影響，因此移動(dòng)避障機(jī)器人需同時(shí)兼具穩(wěn)定性以及靈活性。要能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)、停車、移動(dòng)避障等動(dòng)作。

基于ARM的移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)整體的功能設(shè)計(jì)主要包含前進(jìn)后退功能、左右轉(zhuǎn)功能、速度檢測(cè)及調(diào)節(jié)功能、移動(dòng)避障功能等。

當(dāng)移動(dòng)避障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)前方出現(xiàn)障礙物不能通過(guò)時(shí)，移動(dòng)避障機(jī)器人進(jìn)行避障操作。

3移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1主控制器

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)的主控制器選用意法半導(dǎo)體（ST）公司發(fā)布微控制器STM32F103ZET6，功耗低、集成度高、時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，微控制器采用高性能的ARM？ Cortex？-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，I/O口豐富，包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器[2]。對(duì)STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最小系統(tǒng)電路應(yīng)包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路以及JTAG接口電路四部分。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)采用雙電源供電，分別給控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路供電。主控制器需要供電電源為3.3V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N需要供電電源為+5V，電機(jī)需要的供電電源為+12 V，所以選用+12V可充電的鎳氫電池作為移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)的主電源，+5V和+3.3V可在電路中添加電源轉(zhuǎn)換芯片得到。移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)選用鎳氫電池作為供電電源，將+12V轉(zhuǎn)換到+5V采用轉(zhuǎn)換芯片7805。7805是三端穩(wěn)壓集成電路，有三條引腳輸出分別是輸入端、接地端和輸出端。7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛。可以運(yùn)用本地調(diào)節(jié)來(lái)消除噪聲影響，解決了與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問(wèn)題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%。電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

主控制器STM32F103VET6工作電壓為2.0～3.6V，通常接+3.3V，供I/O端口等接口使用。內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供CM3處理器所需的1.8V電源，即把外電源提供的3.3V轉(zhuǎn)化為1.8V。+3.3V電源是由+5V電源通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2596進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的，在LM2596兩側(cè)都加了電容減少了電源受到擾動(dòng)的影響。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等[3]。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。提供的有：3.3V、5V、12V及可調(diào)（-ADJ）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。

3.3避障模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)避障模塊采用超聲波避障傳感器HC-SR04。HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：

TRIG 端觸發(fā)測(cè)距，給出至少10us的高電平信號(hào)； 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；若有信號(hào)返回，通過(guò) ECHO 端輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，然后就可以計(jì)算出距離。

脈沖工作方式如圖4所示。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)采用42式步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)兩個(gè)42式步進(jìn)電機(jī)。L298N如圖5所示。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板尺寸為57mm*50mm*33mm；重量為33g，采用L298N雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍是Vs：+5V～+35V。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板體積小，質(zhì)量輕，功耗小，穩(wěn)定性高，且具有光耦隔離功能，驅(qū)動(dòng)板正面有正反轉(zhuǎn)指示燈和電源指示燈[5]。驅(qū)動(dòng)板上PWMA 和PWMB 輸入不同的占空比就可以分別調(diào)制兩個(gè)電機(jī)的速度，如果不需要調(diào)速，懸空即可。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.5 測(cè)速調(diào)速模塊設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)半導(dǎo)體功率器件將所需的電流和能量傳送到電機(jī)線圈繞組中，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，PWM信號(hào)則是用來(lái)控制半導(dǎo)體功率器件開啟和關(guān)斷時(shí)間的。

PWM的原理圖如圖7所示，在三極管的基極輸入PWM脈沖，在ON的時(shí)間內(nèi)，輸入是高電平，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在OFF時(shí)間內(nèi)，輸入是低電平，三極管處于關(guān)斷狀態(tài)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電路中存在續(xù)流二極管，在OFF期間，仍能提供給電機(jī)能量，維持電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)[6]。

3.6 速度檢測(cè)模塊

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)速度檢測(cè)模塊采用增量式光電編碼器，具有高精度、高分辨率、低慣量、低噪聲等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高。采用主控制器芯片STM32F103ZET6內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量[7]。光電碼盤安裝在軸上隨電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)比較接收器獲得的兩組正弦波信號(hào)A相和B相哪一項(xiàng)在前判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，通過(guò)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)的光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。增量式光電編碼器原理如圖8所示。

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)采用測(cè)頻測(cè)周法測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速[9]。同時(shí)測(cè)量時(shí)間和此時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速值，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)和高速轉(zhuǎn)動(dòng)兩種情況均適用。

4 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以硬件功能和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)各功能模塊的劃分，系統(tǒng)軟件程序包括：主程序、無(wú)線遙控子程序、避障子程序、測(cè)速調(diào)速子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序等。系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行機(jī)器人程序設(shè)計(jì)，采用Keil μVision4為開發(fā)環(huán)境。Keil MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9等微處理器提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

基于ARM的移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)的主程序中，首先進(jìn)行各模塊初始化，包括超聲波傳感器測(cè)距、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等，然后是看門狗和中斷的初始化，運(yùn)行障礙物檢測(cè)程序；當(dāng)檢測(cè)到前方?jīng)]有障礙物，移動(dòng)避障機(jī)器人按計(jì)劃繼續(xù)行進(jìn)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，則進(jìn)入避障服務(wù)子程序，移動(dòng)避障機(jī)器人進(jìn)行避障[7]。移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示

移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)避障模塊采用超聲波避障傳感器。利用超聲波避障傳感器接收發(fā)出信號(hào)，在一定距離內(nèi)，可通過(guò)傳感器發(fā)出的超聲波檢測(cè)移動(dòng)避障機(jī)器人前方是否有障礙物。在規(guī)定距離內(nèi)如果出現(xiàn)障礙物，超聲波傳感器電平會(huì)發(fā)生跳變，將檢測(cè)結(jié)果傳遞給微控制器，微控制器將會(huì)作出相應(yīng)的決策[10]。

移動(dòng)避障機(jī)器人采用L298N來(lái)完成兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用STM32的PWM端口對(duì)速度進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)主控制器STM32F103ZET6的GPIO端口進(jìn)行電平變換實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)主控制器引腳輸出控制信號(hào)10時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸出控制信號(hào)01時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。進(jìn)而控制移動(dòng)避障機(jī)器人進(jìn)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的基本動(dòng)作。STM32自帶PWM脈沖輸出端，通過(guò)輸入不同占空比的PWM脈沖，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而控制移動(dòng)避障機(jī)器人的行駛速度[11]。脈沖輸出端是通過(guò)對(duì)PWM接口編程實(shí)現(xiàn)的。

L298N模塊輸入輸出關(guān)系如表1所示。

5 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

移動(dòng)避障機(jī)器人車體采用輪式結(jié)構(gòu)，容易建模控制，平滑性能較好，但是車體的輪子可能會(huì)與地面產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象，導(dǎo)致移動(dòng)避障機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性不夠。在移動(dòng)避障機(jī)器人測(cè)試中，采用兩個(gè)主動(dòng)輪作為驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)主動(dòng)輪作為輔助輪，以解決萬(wàn)向輪摩擦力小帶來(lái)的不穩(wěn)定性。移動(dòng)避障機(jī)器人車體底板規(guī)格為20cm*15cm，高15cm，驅(qū)動(dòng)輪車輪直徑是5cm，移動(dòng)避障機(jī)器人車體分為三層：第一層放置主控制器STM32F103ZET6以及接線板，便于調(diào)控引腳控制信號(hào)；第二層放置電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊，電源模塊重量較大，放在第二層降低了重心，并且可以借助上下層的限制減小電源模塊運(yùn)動(dòng)，使移動(dòng)避障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。第三層是移動(dòng)避障機(jī)器人車體的電機(jī)和車輪，將電機(jī)置于車體底層，使車體更加美觀。移動(dòng)避障機(jī)器人的模型如圖10所示。

移動(dòng)避障機(jī)器人避障模塊要及時(shí)的檢測(cè)到障礙物并且進(jìn)行躲避動(dòng)作。避障模塊的測(cè)試內(nèi)容是：移動(dòng)避障機(jī)器人初始狀態(tài)時(shí)停止?fàn)顟B(tài)，測(cè)試開始，在移動(dòng)避障機(jī)器人的車體前方放置不同大小的障礙物，測(cè)試避障模塊檢測(cè)到障礙物的時(shí)間以及能否做出相應(yīng)的躲避行為。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2中移動(dòng)避障機(jī)器人避障模塊測(cè)試結(jié)果可以看出：60次實(shí)驗(yàn)中移動(dòng)避障機(jī)器人車體前方超聲波避障傳感器有57次成功檢測(cè)到障礙物，并且將信息及時(shí)反饋給主控制器，主控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的躲避行為，但是在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)障礙物高度低于避障傳感器水平位置或者障礙物距離傳感器過(guò)近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致避障失敗。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)器人智能化發(fā)展現(xiàn)狀的分析，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)多任務(wù)的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)STM32F103ZET6為核心的移動(dòng)避障機(jī)器人系統(tǒng)。ARM機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要分支，為了進(jìn)行ARM機(jī)器人的系統(tǒng)研究，首先根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)確定了適合機(jī)器人啟動(dòng)停止，前進(jìn)后退，左右轉(zhuǎn)，移動(dòng)避障，測(cè)速調(diào)速的Cortex-M內(nèi)核的STM32芯片。在硬件設(shè)計(jì)方面更多的注重結(jié)合軟件編程的模塊化思想，設(shè)計(jì)了機(jī)器人移動(dòng)避障和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模塊。最終設(shè)計(jì)出的ARM機(jī)器人的分層與模塊化結(jié)構(gòu)。同時(shí)具有低成本、低功耗、智能化高以及通用性的特點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

袁天樂(lè)（1997.07-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，本科大四學(xué)生，本科生，主要在大學(xué)研究數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)軟件的編程，學(xué)習(xí)計(jì)算科學(xué)與信息專業(yè)相關(guān)的課程

項(xiàng)目名稱：基于ARM的機(jī)器人系統(tǒng)研究

項(xiàng)目編號(hào)：C201704446