基于STM32微控制器的掃地機器人控制系統硬件架構設計

楊林超 張新鋒 李超 王巖

摘 要：針對工廠室內復雜情況下的清掃需求，設計了機器人控制系統硬件架構，采用激光雷達及雙目攝像頭定位與融合控制算法相結合規劃機器人行走路徑，提出了以STM32F407單片機為控制核心、多傳感器融合的掃地機器人控制系統，能夠實現機器人按照劃路徑進行作業，并對障礙物進行自主檢測及自主避障，研究了掃地機器人工廠室內環境下的自主行走等問題。在自主作業的基礎上，增加了軟件抗干擾控制技術，解決機器人無法進行判斷的情況，提高了系統運作的穩定性以及安全性，實現復雜環境的巡回作業。

關鍵詞：單片機;自主定位;激光雷達

中圖分類號：TP391.41?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0106-05

Hardware architecture design and control system of sweeping robot based on STM32 microcontroller

YANG Linchao1，ZHANG Xinfeng1，LI Chao2，WANG Yan2

（1.Nanyang Cigarette Factory，Nanyang 473007，Henan China;

2.Henan Central Line Electronic Technology Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract： AbstractIn this paper，according to the needs of cleaning under complex situation in the factory，the hardware architecture of robot control system was designed.The walking path of the robot was planned by the combination of radar and binocular camera positioning with fusion control algorithm，this paper put forward a new control system based on the control core of STM32F407 and multi sensor fusion sweeping robot.The robot was able to follow the path for its work and automatically detect and avoid obstacles.It also studied autonomous walking in indoor environment of factory for floor sweeping robot etc.On the basis of autonomous operation，software anti-interference control technology was added to solve the problem that the robot couldn′t judge.It improved the stability and security of the system and realized the tour work under complex environment.

Key words： single-chip microcomputer;automatic positioning;laser radar

現代科技的飛速發展，使人工智能與人類生活、生產結合程度越來越緊密。工業機器人的出現便是其最具代表性的結果之一。現代工業機器人是一種基于機器視覺、傳感器和先進算法的現代工具，能夠極大地降低工業生產、百姓生活中的人力成本。掃地機器人是一種家用機器人的典型代表，能夠在居家環境下自動對房屋內部地面等進行清掃，具有高度的靈活性。

掃地機器人的主要功能設計在于機器人自主尋路、自動規避障礙等，是一種非常典型的自動化、智能化機器人。現代掃地機器人通常由硬件本體、軟件控制系統、智能傳感系統以及伺服驅動系統組成，其中，軟件控制系統是掃地機器人開展工作的核心。本文以掃地機器人為例，設計了一種基于STM32F4系列單片機的掃地機器人系統，對機器人的控制系統硬件架構設計進行研究，旨在優化該類型機器人結構，為掃地機器人產業發展提供借鑒。

1 總體設計方案

本文選擇了32位低功耗的STM32F407單片機作為本次設計掃地機器人伺服控制系統軟件主控CPU。該單片機以ARM Corex-M7為內核，具有工作主頻高、可超頻、運行速度快以及指令集簡單等優勢。該單片機在進行大量浮點運算時能夠獲得遠高于一般非FPU 芯片的計算效率。同時，該單片機的操作指令較為簡單，并不需要像其他類型單片機一樣必須遵循IEEE 745 標準進行嚴格的浮點運算指令編碼制定，而是僅需幾條簡單的操作指令便可完成運算，在融入DSP（Digital Signal Processing，簡稱DSP）指令集的基礎上大幅提升了單片機的運行效率。

STM32F407系列單片機可以對掃地機器人伺服控制系統每個模塊進行單獨的控制。例如，STM32F407系列單片機可以對系統時鐘電路和復位電路進行單獨控制，不受系統整體約束;其單片機可以對電源模塊進行單獨控制，決定是否進行系統供電，是否選擇關閉某些模塊工作等。此外，STM32F407系列單片機還可以通過控制電機驅動模塊內部電路的通斷進而控制掃地機器人4個車輪中的某一個輪或某幾個輪的前進、后退等功能，用以完成掃地機器人的前進、后退、轉彎等功能。STM32微控制器掃地機器人控制系統如圖1所示。

1.1 信號檢測模塊

由圖1所示，信號檢測模塊由激光雷達模塊、超聲波模塊、水位檢測模塊、轉向編碼模塊、雙目攝像頭模塊、陀螺儀模塊、觸摸屏模塊等，分別用于掃地區域地圖搭建、避障、水量檢測、轉向角度檢測等，以完成機器人所需信息檢測綜合控制，然后按照規定的區域自動完成掃地功能。

激光雷達模塊的主要作用，是對掃地機器人每一幀掃描過程中的圖像反映出的機器人姿態進行捕捉。當掃地機器人前端傳感器獲取所處地區的地圖概況以及機器人的姿態信息以后，后端會根據前端所給出的激光雷達數據進行不斷的修正處理地圖信息等，以便在不斷的修正完善中獲取全域地圖。

超聲波模塊采用IO口TRIG觸發測距，通過測距結果給STM32模塊提供至少10 μs的高電平信號。之后，超聲波模塊會向STM32模塊自動發送8個60 kHz的方波，系統則通過自動檢測模塊自動對返回信號進行處理;若有信號返回，則繼續通過超聲波模塊中的IO輸出一個至少10 us高電平。其中，TRIG觸發測距=（高電平時間×聲速）/2，聲速為340 m/s。本模塊使用方法簡單，通過該方法不斷重復地進行周期測距，即可以達到掃地機器人移動測量的值。

雙目攝像頭模塊采用Digilent公司出品的VmodCAM攝像頭模塊。該模塊上搭載有兩個Micron公司的MT9D112 CMOS圖像傳感器（本系統中用到1個）。該傳感器最高支持1 600×900分辨率，采用IIC的配置協議，并且內置PLL鎖相環，能夠產生嚴格精準相位的控制時鐘，達到高速高精度的目的。

陀螺儀模塊，陀螺儀是一種能夠對運動物體的運動方式、運動距離等進行精準定位和控制的現代精密儀器。陀螺儀在手機、航空、現代工業中的應用程度極為廣泛，是一種常見的慣性導航儀器。本文中的陀螺儀模塊主要采用MPU6050模塊制備而成，具有結構緊湊、靈敏度高等優點。系統工作室，陀螺儀模塊中的MPU6050模塊會自動搜集掃地機器人工作狀態的原始運動數據并對運動數據進行角度化轉化，得到掃地機器人的立體運動坐標。

本文所使用的陀螺儀采用MPU6050模塊，當得到MPU6050的原始數據時，接下來進行數據處理，利用數學方法把它們轉換成角度。常用的方法有：一階互補濾波、清華角度濾波、卡爾曼濾波、四元數解算得到角度和直接利用MPU6050自帶的數字運動處理器（DMP）直接得到角度。故可以直接利用MPU6050自帶的數字運動處理器獲取數據。

工業觸摸屏模塊，工業觸摸屏是一種有別于一般手機、平板電腦的觸摸屏，其屏幕顯示率較低但是能夠在各種復雜環境下進行工作。本文所使用的工業觸摸屏采用HMI接口，通過觸摸屏完成人機交互，顯示各種數據，并向機器人發出命令，完成功能設置、數據上報、通信管理等，在控制系統中，具有關鍵的作用。

編碼器是一種實現快速調速的裝置。它通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出，用來測量轉速并配合PWM技術可以實現快速調速，是工業中常用的電機定位設備，可以精確的測試電機的角位移和旋轉位置。

開關量輸入模塊采用光耦LTV-357T，如圖2所示。其性價比較好，起到了很好的隔離、抗干擾作用。

工業觸摸屏、陀螺儀、激光雷達、超聲波均采用485通信方式，通信模塊如圖3所示。該通信模塊速度高、距離遠、工作穩定，很好的解決了多路高速通信工作。

網絡通信模塊如圖4所示。有線網絡通信模塊為高速通信模塊，可以連接攝像頭、激光雷達等高速模塊。

1.2 輸出控制模塊

輸出模塊主要完成各種電機控制，掃地、避障閃燈及按照設定的區域進行規劃掃地，回到原點等功能。

通過里程計實時檢測行走路徑，建立極坐標，通過陀螺儀實時檢測機器人的前進方向、旋轉角度、行駛速度等;融合激光雷達、雙目攝像頭確定機器人在所建地圖的坐標，由超聲波傳感器實現避障功能，防止與小體積物體或臨時移動物體相撞。并由觸摸屏進行各種功能設置，且實時顯示機器人在所在地圖中的位置，通過顏色顯示地圖作業區域哪些已經清掃，哪些區域沒有清掃和完成情況等。

開關量輸出完成各種執行機構及電機脈沖輸出，是系統的關鍵部件。開關量輸出模塊如圖5所示。

圖6為SRAM擴展模塊，因為主控芯片內部SRAM為192 kB，容量較小，需要外擴2片SRAM存儲器，達到4 MB，用于臨時地圖的數據存儲。

圖7為外擴FLASH ROM模塊，其容量為8 MB，因為主控芯片內部FLASH為1 MB，不能保存大量的非易失數據;外擴8 MB存儲器用于存儲地圖數據，斷電后數據不丟失。

1.3 通信模塊

通信模塊由WIFI 模塊完成與上位機及手機的通信，通過485轉WIFI模塊實現非接觸設置、通知、控制等功能。

通信模塊可以在近距離內實現實時通信功能，上位機通過WIFI通信控制機器人的各種運動行為，并實時獲取機器人的各種實時數據，在近距離通信表現出穩定、可靠、快速，能及時完成通信任務，保證機器人正常作業。

2 軟件設計

掃地機器人的軟件設計包括主程序、電機驅動程序、傳感器檢測系統程序、通信模塊程序、觸摸屏交互模塊程序和工作狀態模塊程序。本文對程序采用模塊化的設計，以確保各個模塊都正常工作，然后在進行整個系統的測試。

2.1 輸入傳感器軟件設計

掃地機器人通過各種傳感器檢測外部各種工作狀態，主要有環境檢測、障礙物檢測、水位檢測、地圖定位及轉向檢測等。

機器人通過檢測輸入信號，確定機器人的前進工作路線選擇，使機器人能按照正確的方式及路徑進行工作。

2.2 輸出執行機構

輸出執行機構包括各種控制電機、閃燈、掃地盤上升下降機構。

輸出執行機構完成機器人的前進、倒退、轉彎、避障等功能。

圖8為本設計系統的掃地機器人的工作流程主序圖。

先將機器人上電，之后程序進行系統的初始化、串口的初始化配置以及加速度傳感器的初始化，再進入while主循環中;使用超聲波傳感器掃描附近的物體距離遠近，并判斷能否需要避障操作。之后程序進行系統的初始化，將各種執行機構進行初始化位置設置，同時讀取當前地圖狀態并保持靜止，不斷的循環判斷是否有觸摸屏連接或者是否有模式切換按鍵被按下;如有觸摸屏連接，則進入觸摸屏控制模式，通過串口接收觸摸屏控制指令，判斷不同指令，然后根據指令實現不同作業，完成前進、后退、左轉、右轉等動作;如有WIFI連接并接收上位機指令，同時機器人慢速行駛，通過激光雷達來檢測機器人的前、后、左、右等與物體的間距等;如果測得的前方障礙物距離在50 cm之內為后退，在50～150 cm內為跟隨或轉向避障，調整機器人行進至合適的位置，然后使用雙目攝像頭判斷周圍環境，直到完成整體作業，返回原點。之后，再檢測水位來決定是否加水，并排放污水;檢測電池狀態，決定是否需要充電。

軟件設計控制系統的軟件編程環境為 MDK5.25，軟件算法主要采用ROS（Robot Operating Syetem，簡稱ROS）算法。它是一個較為復雜的系統算法，再結合SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，簡稱SLAM）算法完成機器人的地圖建立及路徑識別、位置定位、原點定位及返回。

3 結語

實驗結果表明，本文采用算法ROS及SLAM在定位平均相對誤差較小時，有不理想的定位精度，同時具有較快的響應速度。由于算法能夠自適應地圖構建，合理規劃掃地路徑、及時環境檢測及避障，取得了較好效果。但是，還有不足之處，需進一步提高定位精度。

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