基于STM32的雙足避障機器人設計

魯紅權，劉秋鶴，史濤

（華北理工大學,河北唐山,063000）

基于STM32的雙足避障機器人設計

魯紅權，劉秋鶴，史濤

（華北理工大學,河北唐山,063000）

本文計了一種基于STM32的雙足避障機器人，機器人主體使用超輕材質的鋁合金搭建，結構穩定可靠，環境適應能力強。采用高性能的STM32單片機為系統主控芯片，配合外圍傳感器信息采集系統和舵機驅動控制系統，能夠完成自主行走，躲避障礙，路徑規劃等任務。經實驗驗證，該機器人系統能很好的實現自主避障行走，可以有效減少機器人在避障行走中對環境的依賴性，滿足設計要求。

STM32；雙足避障機器人；路徑規劃

0 引言

直立雙足機器人匯集了計算機、電子、通信、自動控制、傳感器等多各領域的尖端技術,代表了機電一體化的最高成就,是當代科技研究的熱點之一。直立雙足機器人有著良好的自由度、動作靈活、自如、穩定，能夠適合各種不同的操作環境，是機械、電子、信息、光檢測為一體的集合。直立雙足機器人控制及其相關技術研究，在機器人研究領域中有著重要的理論研究價值，并且相關研究成果與現實社會聯系緊密，有著不可忽視的現實意義。

1 系統概述

依據雙足直立避障機器人的研究課題設計要求，這種機器人應具有結構穩定可靠，運動靈活；硬件結構緊湊，模塊化分明，可拓展性強；軟件實時性強，運行穩定等特點。本文所設計的雙足直立避障機器人，使用運行穩定可靠的STM32單片機為主控芯片，以17KG大扭矩舵機為肢體驅動動力。具有系統運行穩定可靠，行走平穩流暢等特點。該機器人能實現以下功能。

（1）障礙物檢測，能檢測出所行走環境中的障礙物，并對障礙物的方位和距離做出準確測量。

（2）自主直立行走，以舵機為驅動動力，在驅動器的控制之下完成直線行走，向左轉彎，向右轉彎。

（3）路徑規劃，根據傳感器系統檢測到的障礙物信息，通過算法對所行進的路徑做出規劃。

整個機器人系統設計可分為硬件系統設計和軟件系統設計。硬件系統的設計以結構緊湊，模塊獨立，易于拓展為原則；軟件系統以實時性強，運行穩定可靠為依據，這使得整個機器人系統在穩定性，可靠性，實用性等方面得到了很大的提升。

2 硬件系統設計

為保證整體系統的模塊獨立和易拓展性，系統硬件主要劃分為六個部分進行設計：系統主控部分，傳感器檢測部分，舵機驅動部分，外設部分，通信部分和供電部分。

（1）主控部分

主控部分使用的單片機是STM32F103VET6，因為單片機最小控制系統對電源的要求很高，所以設計了單獨的電源系統，通過使用低紋波穩壓器和濾波器保證單片機電源的穩定性，為單片機提供一個干凈的電源，保證其正常工作不受干擾。主控部分硬件電路為中，為其它部分電路設計了接入的端口，使硬件系統模塊化分明，拓展性增強。

（2）傳感器部分

傳感器部分由檢測障礙物的超聲波傳感器和保持云臺平衡的姿態傳感器共同構成。超聲波模塊使用的是US-100系列測距傳感器，該傳感器自帶溫度補償，能有效抵消掉因環境溫度變化對檢測距離帶來的誤差。姿態傳感器使用的是具有三軸陀螺儀三軸加速度計的MPU6050傳感器，該傳感器使用I2C通信方式，能準確測得當前云臺的實際角度，使得云臺能始終保持水平，以此保證超聲波傳感器檢測到的是到障礙物的水平距離。

（3）舵機驅動部分

舵機驅動部分是使用大功率降壓管將電壓穩定到舵機的工作電壓，并設計了保險絲以防止舵機因功率過大或堵轉發生燒毀的危險事情發生。舵機驅動部分通過由主控部分發來的控制信號驅動。該部分所選用舵機是17KG大扭矩數字電機，它具有扭矩大，響應迅速，運行穩定的優點。

（4）外設部分

外設部分主要由按鍵和OLED顯示器構成，負責完成機器人系統參數的設定，工作模式的選擇等。

（5）通信部分

通信部分主要完成機器人運行數據及控制命令的傳輸。

（6）電源部分

電源部分使用的是容量大，體積下，質量輕的鋰電池，該電池能承受較大電流，保證系統不會因舵機啟動電流較大而發生意外。

3 軟件系統設計

軟件系統是基于STM32F103VET6單片機平臺和KEIL軟件開發環境設計的。在設計中為保證軟件系統的穩定性與實時性，對各個功能部分進行封裝，分模塊進行設計，為每個功能模塊設計標準的應用接口，這樣在函數調用時只需調用所需功能模塊即可，在開發過程中如需變動某些功能也只需改變相應功能模塊即可。

軟件系統設計可細分為六個模塊：控制與決策模塊，云臺控制模塊，信息采集與處理模塊，系統菜單模塊，數據通行模塊和運動控制模塊。

（1）控制與決策模塊

該模塊是機器人工作的中樞與大腦，它的穩定與否直接影響到機器人系統的整體運行，他負責整個系統的工作協調，包括對傳感器采集到的障礙物信息做出處理，通過模糊控制算法做出路徑規劃，進而做出動作決策，將所要執行的動作指令傳送給運動控制部分。同時還要將系統中一些重要數據通過數據通訊模塊發送出去。當系統菜單模塊向該模塊發出通信請求時，需要將當前工作懸掛，處理系統菜單模塊發來的參數設置任務。

（2）云臺控制模塊

系統中為保證障礙物測量信息的準確性，需要將超聲波傳感去架設在云臺上，該模塊主要負責使超聲波傳感器保持在水平位置，通過姿態傳感器檢測到的數據，獲得當前云臺的狀態信息，如果水平角度與預設值有偏差，將通過模塊中的PID控制算法，迅速調整云臺至指定角度。

（3）信息采集模塊

該模塊主要控制系統中的超聲波模塊，定時對機器人前方視野范圍進行檢測，并對檢測到的信息進行記錄存儲，每完成一次檢測任務，就與控制與決策模塊通信，報告障礙物信息已更新完成，請求處理數據。

（4）系統菜單模塊

系統菜單設計的主要內容是，通過對按鍵和屏幕的控制，使人和單片機進行數據交互，主要完成參數設置和模式選擇。

（5）數據通信模塊

數據通模塊負責實時將系統重要數據發送到上位機，并在接收到上位機控制指令后，與控制與決策模塊通信，處理接收到的指令。

（6）動作控制模塊

動作控制模塊的任務是負責機器人的行走動作控制，直線行走，左轉彎或右轉彎，它作為底層函數受控制與決策模塊控制，只有在接收到控制與決策指令時，該模塊才會做出相應控制，其它時刻使機器人保持原來姿態不改變。

4 調試與分析

在硬件系統設計與軟件系統設計都完成后，我們對所設計機器人進行了整體調試，調試結果如下。

（1）檢測部分

傳感器系統和云臺系統作為機器人的眼睛，負責檢測機器人行進道路上的障礙，在實驗室調試過程中，云臺工作正常，超聲波傳感器檢測到的數據與實際相符合，該部分經調試滿足設計要求。

（2）直立行走部分

動作控制模塊在接收到控制器指令后做出相應控制，完成機器人的各種行動。經實驗調試，在無障礙設定下，機器人可有效完成直立行走任務。

（3）控制決策部分

控制器將采集的各項信息通過模糊控制器推理后進行PID計算來控制機器人轉動角度，做出動作決策，將所要執行的動作指令傳送給運動控制部分。經測試，機器人可有效完成固定區域內的避障行走，實現路徑規劃，滿足設計要求。

5 結論

本文設計了一種基于STM32的直立雙足機器人，整個設計方案包括機器人選型組裝、硬件電路設計以及軟件控制算法的設計和實現。經過測試表明，本設計能夠有效完成直立行走和智能避障的設計要求，基本完成預期目標。同時，在此研究基礎上可以進一步完善模糊PID算法在機器人控制系統中的應用，進一步延伸設計的研究價值。

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Design of Obstacle Avoidance Biped Robot based on STM32

Lu Hongquan, Liu Qiuhe, Shi Tao
（North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei,063000）

This paper describes an obstacle avoidance biped robot based on STM32 ,the main body of the robot is built up with ultra-light aluminum alloy , stable and reliable , which has a strong ability to adapt to the environment.The design uses high-performance STM32 microcontroller for the system master chip, with the external sensor information acquisition system and servo drive control system, to complete the autonomous walking, obstacles avoiding, path planning and other tasks.Experiments show that the robot system can achieve a good self - avoidance walking, which can effectively reduce the dependence on the environment in obstacle avoidance.These meet the design requirements well.

STM32; obstacle avoidance biped robot; path planning

魯紅權（1994—），男，河北唐山人，研究方向：智能機器人控制。

劉秋鶴（1993-)，女，河北保定人，研究方向：智能機器人控制。