基于STM32 的六足機器人控制系統設計

伍立春，王茂森，黃順斌

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

移動機器人的發展是一個重要的科研領域，移動機器人可分為車輪式移動機器人、履帶式機器人及其仿生技術的運動機器人［1］。相對于輪式和履帶式機器人來說，足式機器人對非結構環境的適應性更強，幾乎可以在陸地上的任何地方行走。六足行走機器人是按照三角步態行走的，每三足為一組，其行走軌跡并非是直線，而是呈”之”字形的曲線前進［2］。設計六足仿生機器人，其三維模型如圖1 所示。每條腿都有3 個關節，每個關節依靠伺服舵機驅動，整體共有18 個關節，需要18 個舵機才可以實現六足機器人的運動。

舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統。能夠在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統很容易與之接口。鑒于舵機廣泛的應用，文中設計了一種基于STM32F103VET6 的機器人控制系統［3］，利用無線遙控收發器、超聲波傳感器、加速度計、陀螺儀、GPS 實現六足機器人的幾種基本動作和自主避障。

1 控制系統硬件電路

控制系統硬件電路主要有3 部分組成:電源部分、主控部分和通信部分［4－5］。

圖1 六足機器人的三維模型圖

1.1 電源部分

電源部分負責給機器人控制系統的硬件和舵機供電。在舵機驅動過程中，為了避免電流波動影響機器人運動穩定性，將舵機驅動和控制系統分開供電。機器人使用的舵機型號是:EKS－05－08，每個舵機的工作電流是30 mA，18個舵機同時工作時需要0.6 A 的電流，可以使用LM2575S－5 產生5 V 電壓為舵機單獨供電，電路如圖2 所示。STM32F103VET6控制系統需要為I/O 引腳和內部調壓器供電，可用AMS1117－3.3產生3.3V 的穩壓電源，電路如圖3 所示。

圖2 機器人舵機電源電路

圖3 控制系統電源電路

1.2 主控部分

主控部分對機器人進行集中控制，負責機器人驅動與上位機的通訊。

a)STM32F103VET6 芯片

STM32F103 是增強型系列高性能的Cortex－M3 32 位的RISC 內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達512k 字節的閃存和64k 字節的SRAM)，具有增強I/O 端口和聯接到兩條APB 總線的外設。所有型號的器件都包含3 個12 位的ADC、4 個通用16 位定時器和2 個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口:多達2 個I2C 接口、3 個SPI 接口、2 個I2S 接口、1 個SDIO 接口、5 個USART 接口、一個USB 接口和一個CAN 接口。

b)無線遙控收發器

由于遙控器模塊都有上述的現成產品，采用ASK 調制方式、超再生、帶解碼、4 路無線收發模塊，遙控距離50～100 m(開闊地)。無線通信模塊包括無線發射模塊和無線接收模塊兩部分。發射器如圖4 所示，接收模塊如圖5 所示。接收模塊左從至右分別為:VT—解碼有效指示輸出腳、D0:D3—四個控制信號輸出引腳、VCC—DC5V、GND—負極、地，根據發射端按鍵的不同，可以從D0 到D3 對應的引腳輸出高電平，加載在微機對應的IO口，當單片機掃描到引腳電平變化時，可以對應做出運動控制。

c)超聲波傳感器

超聲波傳感器，主要用于六足機器人自主避障時對障礙物的檢測。與紅外傳感器、微波雷達等測距傳感器相比，超聲波傳感器指向性好，不易受電磁、光線、灰塵、被測對象顏色、煙霧等影響，而且超聲避障實現方便，技術成熟，成本低，成為移動機器人常用的避障方法［6］。

圖4 發射器

圖5 接收器

采用HY－SRF05 超聲波測距模塊(圖6)，該模塊包括超聲波發射器、超聲波接收器與控制電路三部分，可提供2 cm～450 cm 的非接觸式測距功能，誤差不超過3 mm，感應角度不大于15°。5 個引腳定義如下:VCC—5 V供電;GND—地線;TRIG—觸發控制信號輸入;ECHO—回響信號輸出;OUT—開關量輸出。工作時只需要定時器產生一個10 us 以上高電平的脈沖觸發信號給TRIG，該模塊將通過超聲波發射器發出8 個40 kHz 脈沖信號并由超聲波接收器檢測回波。超聲波接收器一旦檢測到回波信號就通過ECHO 引腳輸出脈沖寬度與障礙物距離成正比的回響信號，該回響信號被STM32F103VET6 捕獲、處理成障礙物距離信息。

圖6 HY-SRF05 超聲波模塊

d)加速度計傳感器

加速度計傳感器主要用于檢測x、y、z 三個方向的加速度。本文采用集成三軸磁力計和三軸加速計功能的LSM303DLH 芯片作為加速度計傳感器，其主要特性如下:

1)磁力計的測量范圍從1.3 Gauss 到8.1 Gauss 共分7 檔，用戶可以自由選擇，分辨率可以達到8 MGauss;

2)具有自檢測功能;

3)加速計采用12 位ADC，可以達到1 mg 的測量精度。

4)支持睡眠/喚醒功能;

5)IIC 數字輸出接口。

加速度計傳感器的應用電路和實物圖分別如圖7 和圖8 所示，通過IIC 接口輸入STM32F103VET6 中。

圖7 加速度計原理圖

圖8 加速度計實物圖

e)陀螺儀傳感器

三軸陀螺儀主要用于檢測機身角速度，本文采用意法半導體(ST)生產的低功耗、三軸角速度傳感器芯片L3G4200D，其主要特性如下:

1)3 種可選量程，分別為250/500/2 000 dps，低量程數值用于高精度慢速運動測量，而高量程則用于測量超快速的手勢和運動;

2)IIC/SPI 數字輸出接口;

3)16 位角速度數據輸出、8 位溫度數據輸出;

4)集成低通、高通濾波器，用戶可自行設置帶寬;

5)供電2.4 V～3.6 V，兼容1.8 V 電壓IO 口，支持斷電及睡眠模式;

6)內部集成FIFO、溫度傳感器;

7)高抗撞擊能力。

三軸陀螺儀的應用電路和實物圖分別如圖9 和圖10所示，通過IIC 接口輸入STM32F103VET6 中。

圖9 陀螺儀電路圖

圖10 陀螺儀實物圖

f)GPS

GPS 主要用于機器人的定位，因為加速度計和陀螺儀組成的捷聯慣導有時間積累誤差，在非封閉的地方主要用GPS 定位較合理。采用GPS 芯片SiRF StarⅢ，其主要特性如下:

1)波特率:4 800 bps

2)數據輸出電平:同時具備TTL 電平和RS232 電平

3)定位精度:5 m

4)數據輸出接口:DB9 母座

5)供電:5 V

6)數據輸出格式:主要解析GPS 推薦定位信息GPRMC

7)天線類型:外置有源GPS 天線

GPS 實物圖分別如圖11 所示，通過串口輸入STM32F103VET6 中。

圖11 GPS 實物圖

1.3 通信部分

機器人的通信部分采用串口和IIC 通信，將USART串口連接到RS232 總線驅動和接收器MAX232 上，并由其將STM32F103VET6 異步通信口的TTL 電平轉換為RS232 電平，便于和上位機通信。機器人和上位機通信流程如圖12 所示。超聲波測距傳感器和GPS 的信息需要STM32 的解析、加速度計和陀螺儀經過相應的寄存器和數據處理用IIC 協議輸入到STM32 中，最終四者信息通過USART 輸出到上位機上顯示數據。

圖12 機器人和上位機的通信的流程圖

2 控制系統軟件部分

在機器人控制系統中，通過STM32 豐富的外設處理，配置需要用到的時鐘、IO 口、串口、定時器等信息。

詳細過程如下:無線接收模塊收到信號后，相應的I/O引腳電平會發生變化，由已存于數組中的步態數據，經過STM32 的定時器模塊共使用4 個通用定時器，每個定時器有4 路通道再加上一個高級定時器的2 路通道，可產生18路變占空比、頻率不變的PWM 波［7－10］;GPS 通過USART2中斷處理接收到的GPRMC 數據后，經過STM32 的數據解析后，再通過USART1 在上位機上顯示已解析過的數據;加速度計和陀螺儀則通過操作相應的寄存器將比力和角速度數據經IIC 傳輸到STM32 后用USART1 在上位機上顯示;超聲波傳感器利用定時器產生相應的觸發條件，再利用定時器的溢出中斷捕獲到數據，經過處理后用USART1 在上位機上顯示。控制系統軟件流程如圖13 所示。

圖13 控制系統軟件流程圖

3 調試和實驗

PCB 板上電后，系統準備就緒，通過讀取遙控器的接收端電平狀態，從而執行前進、后退，左行，右行，左轉，右轉，準備等動作;同時實時采集超聲波傳感器、加速度計、陀螺儀、GPS 的數據。機器人和傳感器的實物如圖14所示。

圖14 傳感器通訊調試和機器人實物圖

4 結語

基于STM32 的高性能和豐富的外設接口，設計了六足機器人運動控制系統，實現驅動18 個關節運動，實現了機器人在地面的穩定運動，動作具有很好的協同性并實時與上位機通訊。本文主要是硬件方面的實現，算法方面還需完善的有:加速度計和陀螺儀組成的慣性導航系統與GPS 模塊融合的組合導航系統，用卡爾曼濾波算法對數據進行融合以得到最接近真實的信息［11］。

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