適合復雜環境的移動機器人定位系統

張占勝 王寧佳 李峰 李嘯林

摘要：本文設計適合復雜環境的移動機器人定位系統，機器人采用STM32F103單片機為主控芯片，使用以慣性傳感器MPU6050為主的定位模塊，完成機器人硬件系統的設計和硬件電路的搭建，并結合硬件部分完成機器人算法設計，建立機器人的實時行進狀態控制模型。最終機器人可在復雜環境下的進行平面定位導航，很好的解決地面上工作的機器人對位置精度要求較高的問題。

關鍵詞：慣性傳感器;復雜環境;STM32F103;平面定位

0 ?引言

近年來，隨著工業的不斷發展，移動機器人已經在工業、軍事、生活等各方面得到廣泛的運用。尤其是在一些不適宜人類進入的復雜環境下需求很大，同時對機器人位置的檢測精度，以及行走的航線精度也有了進一步的要求，因此研究適合復雜環境的移動定位機器人很有應用價值。

本文研究的機器人具有定位準確，成本低廉的優點。本研究利用慣性傳感器采用主動控制技術，通過對機器人建立坐標系運動加速度和角度采集和計算來確定移動機器人的位置，能夠滿足在一系列有范圍的場地內或者一些具有潛在危險而不適合人類親自進入的環境中的工作需求。

1 ?硬件設計

本設計主要的控制系統主要包括供電模塊，主控模塊，平面定位模塊，電機驅動模塊以及和上位機相連接的串口模塊，整體設計結構如圖1所示。

主控模塊使用意法半導體（ST）公司出品的STM32F103系列單片機，其內核是Cortex-M3，該內核的優點是高性能、低功耗、低價格。

供電模塊主要服務于三個部分——主控模塊3.3V，定位系統5V，電機驅動12V。在這里我們設計了一個穩壓電源電路（如圖2），用到的是LM1117芯片，LM1117是一個低壓差電壓調節器系列，可通過2個外部電阻可實現1.25～13.8V輸出電壓范圍。

平面定位模塊主要用于慣性導航，平面定位，集成了慣性傳感器（MPU6050）——陀螺儀、加速度計、編碼器等多種傳感器（如圖3）。通過濾波、融合等方法，可以解算出定位系統中心在其坐標系中的位置姿態信息。

MPU6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。

2 ?軟件設計

軟件部分是基于FreeRTOS嵌入式實時操作系統的三層結構——硬件驅動層、操作系統層和應用功能層。硬件驅動層，其主要負責各個硬件模塊和通信接口的配置與讀寫程序。操作系統層為開源的機器人操作系統（FreeRTOS）。FreeRTOS系統可以提供任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理等功能，可滿足本研究的需要。應用功能層，機器人的所有基礎功能都在這一層實現，負責調用驅動層程序和操作系統接口完成外設數據讀取，進而實現數據濾波、地圖構建、機器人導航、機器人定位等。軟件流程圖如圖4所示。

3 ?慣性導航定位的實現

適合復雜環境的移動機器人的研究采用慣性導航的定位方式實現準確的二維平面空間機器人相對定位。實現步驟如下：

①系統初始化。

②初始化完成后，采集用于運動控制器件定位原始數據;進行原始數據的穩定性處理，主要包含有濾波處理、多軸之間去交叉干擾處理、溫度補償處理等。

③進行定位算法，根據三軸陀螺儀原始數據以及上一定位點位置數據計算出運動控制器件目前定位點相對于上一定位點的相對位移。

④利用加速度計的得到的數據，計算目前運動控制器件的姿態角，獲得運動控制器件當前定位點絕對位置的相對位移誤差補償量。

⑤根據計算獲得的相對位移誤差補償量，補償步驟③得到的運動控制器件目前定位點相對于上一定位點的相對位移，獲得運動控制器件當前定位點絕對位置數據。

4 ?結束語

本文是在基于STM32單片機的開發平臺上對適合復雜環境的移動定位機器人進行了硬件設計和軟件調試。在現場實驗中，本機器人能夠反饋精確的位置信息，實現有效安全的路徑規劃，具有良好的應用前景。

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基金項目：“2019年遼寧省大學生創新創業訓練計劃”資助項目， 項目編號：201910149015。