基于STM32控制系統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐飛龍 張娜 黎安慶

摘要：為了提高輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度、加速度和作業(yè)效率，本文以STM32位控制核心開發(fā)全輪轉(zhuǎn)向四輪移動(dòng)機(jī)器人，完成了移動(dòng)機(jī)器人三維模型的構(gòu)建、控制系統(tǒng)軟件硬件的設(shè)計(jì)以及調(diào)試和實(shí)驗(yàn)等工作，結(jié)果表明該機(jī)器人運(yùn)行可靠、運(yùn)行和作業(yè)效率高。

關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人;STM32控制系統(tǒng);CAN總線;激光雷達(dá);全輪轉(zhuǎn)向

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）25-0047-03

Abstract： In order to improve the speed， acceleration and operating efficiency of the wheeled mobile robot， this article used the STM32control system to develop an all-wheel steering four-wheel mobile robot，Had completed the construction of the three-dimensional model of the mobile robot， the design of the control system software and hardware， as well as debugging and experimentation.the results showed that the robot is reliable， efficient and efficient.

Key words：Wheeled mobile robot;STM32 control system;CAN bus;lidar; all-wheel steering

機(jī)器人最早出現(xiàn)在《羅薩姆的萬能機(jī)器人》的劇本中robot捷克語意為奴隸[1]，機(jī)器人從一開始就被寄予代替人類勞動(dòng)的使命，隨著機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，各種機(jī)器人已經(jīng)開始解放人類勞動(dòng)力，輪式移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人的重要組成元素，近幾年來也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文以STM32位控制核心開發(fā)全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人，完成了移動(dòng)機(jī)器人三維模型的構(gòu)建、控制系統(tǒng)軟件硬件的設(shè)計(jì)以及調(diào)試和實(shí)驗(yàn)等工作。

1移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見的移動(dòng)機(jī)器人是三輪或者四輪的全向輪機(jī)器人[2-4]，本文自主研制的對(duì)象是全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人，它由四個(gè)驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪組成，可以完成四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，該四輪全轉(zhuǎn)向移動(dòng)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上可分為機(jī)械爪、運(yùn)動(dòng)底盤和機(jī)架等三個(gè)主要部分組成。

1.1 機(jī)器人的機(jī)械爪

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械爪主體由亞克力板經(jīng)過雕刻機(jī)雕刻成薄片近似半圓弧狀，弧上均布小孔，形成機(jī)械爪齒，用碳釬桿通過小孔將若干機(jī)械爪齒固定起來形成機(jī)械爪左右兩部分。機(jī)械手采用總線舵機(jī)控制，機(jī)械手將地面物體夾持后由電機(jī)通過齒輪齒條傳動(dòng)拖動(dòng)機(jī)械手向上移動(dòng)，然后將物品存儲(chǔ)在機(jī)架上。

1.2 機(jī)器人的底盤

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人需要合適的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人能夠在工作環(huán)境中按照設(shè)計(jì)預(yù)期運(yùn)動(dòng)，本文采用了全輪轉(zhuǎn)向的四輪底盤結(jié)構(gòu)，底盤形狀采用正方形設(shè)計(jì)如圖1所示。

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人采用四個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立轉(zhuǎn)向，并配有兩個(gè)鉸接式的懸掛裝置，使得機(jī)器人在不平整地面也能夠保證四輪有效地與地面接觸，構(gòu)成四輪全轉(zhuǎn)向的底盤結(jié)構(gòu)形式。每個(gè)輪都能單獨(dú)控制速度和轉(zhuǎn)向，可以保證移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，使得轉(zhuǎn)向時(shí)移動(dòng)機(jī)器人輪子與地面純滾動(dòng)、無側(cè)滑，運(yùn)動(dòng)過程中有足夠的靈活度，控制簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)精度高，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人可以以任意姿態(tài)向任意點(diǎn)做直線或曲線移動(dòng)。

1.3 機(jī)器人的機(jī)架

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)架為鋁矩管通過焊接形成三層結(jié)構(gòu)，四個(gè)驅(qū)轉(zhuǎn)一體輪安裝在機(jī)架第一層平臺(tái)上，機(jī)械爪的提升電機(jī)安裝在第二層平臺(tái)上，最初方案為在一層和二層平臺(tái)之間固定兩根光軸導(dǎo)軌，機(jī)械爪和控制機(jī)械爪的舵機(jī)固定在滑塊上，滑塊通過直線軸承連接在兩根光軸導(dǎo)軌上，升降電機(jī)通過同步帶拉動(dòng)滑塊在光軸導(dǎo)軌上滑動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖2中左所示。此方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是每次在地面固定樁上放置標(biāo)記物后機(jī)器人需要倒退，效率較低。最終方案為在二層上固定升降電機(jī)和HGH型直線導(dǎo)軌的滑塊部分，將齒條固定HGH型直線導(dǎo)軌上，升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條嚙合，拉動(dòng)直線導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械爪和驅(qū)動(dòng)舵機(jī)固定在直線導(dǎo)軌的底端，此方案機(jī)器人中間形成了拱形空間，可以在放置好標(biāo)記物后繼續(xù)前進(jìn)，提高了移動(dòng)機(jī)器人的作業(yè)效率，其結(jié)構(gòu)如圖2中右所示。儲(chǔ)物架固定在機(jī)架第三層上，用于儲(chǔ)存機(jī)械爪抓取的標(biāo)記物，儲(chǔ)物架上有7個(gè)舵機(jī)，最多可以儲(chǔ)存7個(gè)標(biāo)記物。

2硬件設(shè)計(jì)

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人采用意大利意法半導(dǎo)體 （STMicroelectronics）公司的STM32F407ZGT6作為核心運(yùn)動(dòng)控制器，該芯片具有功耗小和運(yùn)算速度比較快等優(yōu)點(diǎn)[5， 6]。整體結(jié)構(gòu)包括作為上位機(jī)的PC機(jī)和由STM32芯片作為控制核心的下位系統(tǒng)，由于移動(dòng)機(jī)器人四輪需要相互獨(dú)立控制，所以四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)和一個(gè)升級(jí)電機(jī)采用基于CAN總線的多電機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由上位機(jī)PC機(jī)、下位機(jī)控制器STM32、USB-CAN轉(zhuǎn)換器、CAN總線收發(fā)器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和無刷直流電機(jī)組成。通過對(duì)每個(gè)電機(jī)設(shè)置電機(jī)ID，控制器STM32通過廣播的方式發(fā)送控制信號(hào)，電機(jī)控制器可通過CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線通信信號(hào)的接收和發(fā)送。機(jī)器人系統(tǒng)還包括若干串口舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)記物的操作，紅外、顏色、U型槽和激光雷達(dá)等組成機(jī)器人的感知系統(tǒng)，保證機(jī)器人能夠精確移動(dòng)到預(yù)定位置，并正確識(shí)別標(biāo)記物。綜上，機(jī)器人的硬件組成如圖3所示。

3軟件系統(tǒng)與控制

全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用C語言編寫程序，主要完成以下兩部分功能：

（1）完成全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能;①轉(zhuǎn)向：全輪轉(zhuǎn)向四輪機(jī)器人有四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，四個(gè)輪子可能轉(zhuǎn)角相同，也可能轉(zhuǎn)角不同，比如機(jī)器人需要直線行駛時(shí)，四個(gè)輪子轉(zhuǎn)角相同;當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，四個(gè)輪子轉(zhuǎn)角就不相同，因此，四個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)每個(gè)電機(jī)均設(shè)置有電機(jī)ID，能夠相互獨(dú)立受主板的控制。②行駛：全輪轉(zhuǎn)向四輪機(jī)器人有四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)輪子轉(zhuǎn)速相同;轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了保證輪子與地面純滾動(dòng)，四個(gè)輪子轉(zhuǎn)速就不完全相同，因此，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也需要獨(dú)立的電機(jī)ID，使得每個(gè)輪子轉(zhuǎn)速都能夠相互獨(dú)立的受主板控制。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（2）完成目標(biāo)物的抓取、儲(chǔ)存和放置工作;①抓取標(biāo)記物：移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到抓取標(biāo)記物的預(yù)定位置，控制器控制舵機(jī)8和9轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)角一致，所以可以共用同一個(gè)信號(hào)。②標(biāo)記物存儲(chǔ)：當(dāng)機(jī)械爪抓取到標(biāo)記物后，升降電機(jī)受主板控制將機(jī)械爪提升到預(yù)定位置，提升過程中串口舵機(jī)1～7需要完成松開和頂緊兩個(gè)動(dòng)作，最終將標(biāo)記物固定在儲(chǔ)物裝置上。③標(biāo)記物放置：移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到放置標(biāo)記物的預(yù)定位置，控制串口舵機(jī)1～7從下至上依次松開就可以完成標(biāo)記物放置，每個(gè)舵機(jī)獨(dú)立受控制。

4調(diào)試

四輪移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)和裝配完成后，實(shí)物如圖5所示，左圖是機(jī)器人整體外觀圖，右圖是PCB電路板，然后進(jìn)行了硬件調(diào)試，硬件調(diào)試先后經(jīng)過了檢查電路、通電觀察、靜態(tài)調(diào)試、動(dòng)態(tài)調(diào)試和指標(biāo)測(cè)試。硬件檢測(cè)合格后進(jìn)行機(jī)器人參數(shù)調(diào)整，包括機(jī)器人的機(jī)械爪、檔桿、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制參數(shù)等。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了并搭建了全輪轉(zhuǎn)向的四輪移動(dòng)機(jī)器人，主要包括機(jī)械爪、全輪轉(zhuǎn)向四輪底盤和三層機(jī)架，該機(jī)器人主控制芯片為STM32F407ZGT6，控制系統(tǒng)包括四輪驅(qū)動(dòng)獨(dú)立轉(zhuǎn)向和獨(dú)立電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)控制、機(jī)械爪控制、標(biāo)記物存儲(chǔ)和放置控制，經(jīng)過調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，傳感器模塊性能良好，穩(wěn)定可靠，激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)標(biāo)記物，顏色傳感器能夠正確識(shí)別標(biāo)記物，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的扭矩能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)，機(jī)器人移動(dòng)速度快加速度大，運(yùn)行和作業(yè)效率高，在四川省機(jī)器人大賽上獲得一等獎(jiǎng)。但是機(jī)器人存在速度控制不夠理想，系統(tǒng)潛力開發(fā)不充分等問題，需要進(jìn)一步研究。

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【通聯(lián)編輯：梁書】