基于iNEMO慣性模塊的簡易體感遙控機械手裝置

程招招+馬超+武少卿+劉帥

摘 要：將STM32F103C8T6作為主控制器，結合體感識別技術，設計的機械手臂具有體積小、操作簡單、可靠性高、可擴展性強等優點，能夠較好地滿足對機械手可靠遙控的要求，具有較大的應用推廣價值。

關鍵詞：嵌入式控制；體感技術；iNEMO慣性模塊；無線控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.011

隨著科學技術的快速發展，智能機械手臂裝置被廣泛應用于實際生產生活當中，基于體感技術的智能機械裝置層出不窮。傳統的機械手一般都是采用PLC控制的，而本設計則采用模塊化機械裝置組裝機械手，是基于單片機的無線控制，利用STM32F103C8T6作為主控制器，采用iNEMO慣性傳感器模塊實現體感信息檢測、nRF24L01模塊完成無線通信和12864液晶顯示模塊實現狀態顯示。同時，利用體感識別技術來取代傳統的按鍵控制，有效地減少了硬件設備的投放，簡化了系統，具有體積小、操作簡單、可靠性強等特點。體感技術的優勢在于人們可以用肢體直接與周邊的裝置或環境互動，而無需使用任何復雜的控制設備，便可讓人們身臨其境地與內容互動。依照體感方式和原理的不同，可以將體感技術分為三大類，即慣性感測、光學感測、慣性及光學聯合感測。本設計中采用慣性感測的原理對手部姿勢進行檢測，從而實現體感控制。

1 系統方案及整體構架

本設計采用ST公司具有Cortex-M3內核的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器，采用ST公司的iNEMO慣性導航模塊進行手部姿態檢測，采用nRF24L01無線模塊實現指令的發送和數據的接收，采用12864液晶顯示模塊顯示當前的控制指令、機器人狀態和剩余電量，采用LED和

蜂鳴器實現提示和報警功能。主控系統軟件上使用μC/OS-II實時嵌入式操作系統，能夠實現實時性內核、任務管理、時間管理、通信與同步、內存管理等功能。系統的整體架構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主控制模塊

本設計采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器，32位內核，工作頻率最高為72 MHz，內置128 K字節的程序存儲器，20 K字節的SRAM，包含時鐘、復位和電源管理，供電電壓為2.0～3.6 V，滿足了低功耗的要求。

2.2 傳感器處理模塊

本設計采用iNEMO慣性導航模塊進行手部姿勢識別，iNEMO慣性導航模塊能夠檢測9個自由度，利用MEMS傳感器和主控芯片STM32F103RET7提供動靜態方向和慣性測量功能。集成雙軸滾轉-俯仰陀螺儀（LPR430AL）、單軸偏航陀螺儀（LY330ALH）、6軸地磁測量模塊（LSM303DLH）、壓力傳感器（LPS001DL）和溫度傳感器（STLM75）5個意法半導體公司的傳感器，運行一個AHRS姿態角運算系統，從而實現對姿態角的實時測量。傳感器處理模塊如圖2所示。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊通過nRF24L01無線模塊實現指令的發送和數據的接收，將接收的數據轉化為數據指令，以控制機械手的運動，實現無線控制。采用嚴格的“一問一答”形式，即每發送一條指令都需要機械手本體返回一幀數據包。發送一條指令后，等待機械手本體返回的數據包，只有獲得機械手本體返回的數據包后才可以繼續發送指令包。如果機械手本體接收到錯誤指令（經校驗錯誤的指令），置位通信錯誤標志位，上傳數據包；同時，機械手本體報警，將機械手速度置0，接下來1 s內下位機清除串口DMA，重新接收指令。如果接收到的數據包中通信錯誤標志位置位，則重新配置nRF24L01無線模塊，重新發送指令。

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用12864液晶模塊進行顯示，可顯示漢字和圖形，內置8 192個中文漢字（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）和64×256點陣顯示RAM（GDRAM），具有并行數據傳送方式和串行數據傳送方式。其中，串行數據傳輸方式只用到CS、SID、SCK 3個通信引腳，較并行數據傳送方式節省單片機的I/O引腳。本文采用串行傳輸方式設計。

3 軟件系統設計

本系統經上電初始化后，首先采集電池電壓，傳送采集的數據，通過12864液晶進行顯示。如果電量過低，則通過蜂鳴器報警。通過DMA將iNEMO慣性導航模塊數據接收到USART1中，經校驗后，將數據轉化為機械手臂的運動指令，并點亮指示LED燈。系統軟件流程如圖3所示。

4 結束語

本文討論了基于STM32F103C8T6的嵌入式體感機械手的設計與實現，并對具體的硬件電路和軟件系統進行了詳細的介紹。大量實驗證明，本體感機械手具有操作簡便、可操作性強、通信可靠、穩定性和人性化程度高等優點，在實際應用中取得了良好的效果。

參考文獻

[1]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2]周立功.ARM7嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社.

[5]肖廣兵.ARM嵌入式開發實例——基于STM32的系統設計[M].北京：電子工業出版社，2013.

〔編輯：劉曉芳〕