一種基于STM32的智能排爆小車的設(shè)計

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 薛樂樂

1.STM32單片機(jī)

STM32是為了滿足高性能、低成本、低功耗等的要求而專門設(shè)計的一種ARM Cortex-M3內(nèi)核。不同于其他系列的單片機(jī)，STM32系列的存儲器容量更大，這樣能夠解決后期因需要外部連接硬件模塊過多、各模塊間通信復(fù)雜而導(dǎo)致的代碼較長致使編譯出錯的問題。除此之外，此系列單片機(jī)的優(yōu)化功能較好，性能和引腳數(shù)量都能夠滿足用戶需求。在軟件編程方面，STM32系列采用庫函數(shù)調(diào)用的方式即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，使用簡單易于上手。

2.小車的組成部分

對于智能排爆小車的設(shè)計，可以分為四個部分：移動裝置、機(jī)械手、其他輔助裝置、控制機(jī)構(gòu)。

2.1 移動裝置

移動裝置，或者我們稱之為行走方式，就是使小車能夠移動的裝置。常見的移動或行走機(jī)構(gòu)有傳統(tǒng)輪胎式、履帶傳動式和混合式。傳統(tǒng)的輪胎式在實(shí)際應(yīng)用中又因地形或天氣不同有不同的種類和應(yīng)用，如越野胎、雨胎等，且使用的輪胎的數(shù)量也因應(yīng)用環(huán)境不同而存在差異。傳統(tǒng)的輪胎式優(yōu)點(diǎn)是移動速度快、靈敏。

對于履帶傳動式，它不如傳統(tǒng)輪胎那樣移動迅速，但是它的應(yīng)用也非常廣泛。通常人們需要排除障礙物或者危險物的作業(yè)地點(diǎn)的環(huán)境是較為惡劣的，在極端的條件下傳統(tǒng)輪胎就失去了用武之地，此時，履帶傳動可以很好地解決這一問題。對于野外的沙地、山路、階梯等較復(fù)雜的地形，履帶都能夠順利通過。

混合式即輪胎外面加裝履帶，不需要時可將履帶拆下。在這里我們采用的是履帶式的傳動機(jī)構(gòu)。

2.2 機(jī)械手

機(jī)械手是整個小車的設(shè)計中最為重要的部分，它擔(dān)任著排除障礙物或危險物的角色，正是機(jī)械手的作業(yè)代替了人類在危險環(huán)境中的作業(yè)。

機(jī)械手有不同的自由度之分，為了使機(jī)械手能夠更加靈活地運(yùn)動，在這里我們采用多自由度的機(jī)械手。所謂自由度，即機(jī)械手各個運(yùn)動部件在三維空間坐標(biāo)軸上所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)量。如一個自由度，指由一個直線運(yùn)動來構(gòu)成直線或者由一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來構(gòu)成曲線。兩個自由度，指由兩個直線運(yùn)動構(gòu)成平面，或者由一個直線運(yùn)動加上另外一個在直線運(yùn)動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成平面，或者由一個直線運(yùn)動加上另外一個不在這條直線運(yùn)動所在的平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動構(gòu)成圓柱曲面。

為了在空間上到達(dá)任意一個點(diǎn)，通常需要3個運(yùn)動軸，但是為了將一個物件送達(dá)指定的目標(biāo)位置時仍需要3個運(yùn)動軸。因此，為了同時滿足以上兩種要求，一個機(jī)械手至少都需要6個運(yùn)動軸，其中3個是位置自由度，另外3個是姿勢自由度。

假如用機(jī)械手來模擬仿真人類的手的話，那么舵機(jī)就相當(dāng)于支撐著這只手的手臂、胳膊。舵機(jī)在各個領(lǐng)域的控制工程中都有很多應(yīng)用，其最早是出現(xiàn)于航模運(yùn)動中，通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)以及各個控制舵面來實(shí)現(xiàn)調(diào)整航模的運(yùn)動。除此之外，在船?？刂莆捕婧蛙嚹Ｖ修D(zhuǎn)向的控制等都是較為常見的應(yīng)用。舵機(jī)的工作原理為，當(dāng)控制電路板接收到來自信號線的控制信號時，電機(jī)轉(zhuǎn)動，并且此時電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動一系列的齒輪組，當(dāng)減速后傳送至輸出舵盤。

2.3 其他輔助裝置

為了使小車的功能更加全面、性能更加完善，并且能夠使之更好地在高危險度的環(huán)境中作業(yè)，在小車頂部我們加裝一個攝像頭，其作用是用來采集周圍環(huán)境中的實(shí)時圖像信息以幫助人類確定障礙物或危險物的準(zhǔn)確位置。

對于具體的攝像頭模塊，采用基于STM32單片機(jī)的OV7670攝像頭，此攝像頭屬于CMOS器件并且自身帶有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口。除此之外，此款攝像頭能夠兼容IIC接口。另外，其內(nèi)置的器件主要有感光序列、時序發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、模擬信號處理裝置等。

攝像頭的工作流程為：首先光照射到感光陣列，由感光陣列產(chǎn)生電荷，這些電荷會被送到具體的模擬信號的處理裝置或者處理單元中，之后再經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換器將此信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。因?yàn)橛嬎銠C(jī)無法直接對采集到的模擬信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，所以需要一個轉(zhuǎn)換器用來將模擬信號轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的計算機(jī)能夠識別并進(jìn)行處理的數(shù)字信號。然后將數(shù)字信號輸入進(jìn)DSP中進(jìn)行處理，即實(shí)現(xiàn)插值到RGB信號，最后再將信號輸出到屏幕上。

目前市面上的OV7670模塊可分為兩種：一種是帶FIF0芯片的，另一種是不帶FIF0芯片的，其原理圖分別如下。

圖2.3.1 不帶FIFO的攝像頭

圖2.3.2 帶FIF0的攝像頭

兩種攝像頭的適用范圍為：

不帶FIF0的攝像頭的用法相對簡單且較直接，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中實(shí)現(xiàn)起來可能較困難。主要原因是，大多數(shù)的CMOS芯片的時鐘速度都可以達(dá)到24M，這對于一般的單片機(jī)的I/O口速度來說基本上無法達(dá)到，其中對于STM32的I/0口速度來說，寄存器要比庫函數(shù)的速度快。據(jù)檢測，使用庫函數(shù)時I/O口的速度為2.5MHz，然而當(dāng)使用寄存器時I/0口的速度大約為8MHz，很明顯速度相差較大。

對于帶FIF0的攝像頭來說，由于多了這個器件作為數(shù)據(jù)緩沖的部件，會使得數(shù)據(jù)采集過程變得更加簡便，對用戶來說只需要關(guān)心數(shù)據(jù)的讀取即可，而不用對采集過程做更深的理解。

2.4 控制機(jī)構(gòu)

控制結(jié)構(gòu)本設(shè)計主要采用無線通信的方式，即Wi-Fi模塊或者藍(lán)牙模塊，在這里我們采用Wi-Fi模塊。

2.4.1 無線局域網(wǎng)與Wi-Fi

無線局域網(wǎng)（Wireless LAN），英文縮寫為WLAN，指的是在不適用任何的導(dǎo)線或者傳輸電纜連接的局域網(wǎng)，是使用無線電波作為數(shù)據(jù)傳送的媒介，其傳送距離一般只有幾十米。無線局域網(wǎng)的主干網(wǎng)路通常使用的是有線電纜，無線局域網(wǎng)用于通過一個或多個無線接取器接入無線局域網(wǎng)?，F(xiàn)在的無線局域網(wǎng)普遍采用的是IEEE定義的802.11系列標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi是Wi-Fi聯(lián)盟制造商的商標(biāo)作為產(chǎn)品的品牌認(rèn)證，是一個創(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)。

2.4.2 Wi-Fi控制方式的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計采用Wi-Fi來控制小車，即以Wi-Fi作為傳輸數(shù)據(jù)信道，可以通過手機(jī)、PAD和電腦等具備Wi-Fi的終端進(jìn)行控制，并且可以將機(jī)器人的攝像頭采集到的視頻顯示在控制端屏幕上。

TCP通信的概念：中文釋義傳輸控制協(xié)議，英文原義為Transmission Control Protocol，該協(xié)議主要是用于在主機(jī)間建立一個虛擬連接，以實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)據(jù)包交換。該協(xié)議傳輸模式中在將數(shù)據(jù)包成功發(fā)送給目標(biāo)計算機(jī)后，TCP會要求發(fā)送一個確認(rèn)：如果再某個時限內(nèi)沒有收到確認(rèn)，那么TCP將重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。另外，在傳輸?shù)倪^程中，如果接收到無序、丟失以及被破壞的數(shù)據(jù)包，TCP還可以負(fù)責(zé)恢復(fù)。在本設(shè)計中使用TCP協(xié)議是因?yàn)榇藚f(xié)議是一種可靠、安全的通信方式。假如在通信過程中出現(xiàn)某些斷續(xù)傳輸時，該次傳輸仍不會丟失數(shù)據(jù)包，這完全依賴著TCP的安全性。

單片機(jī)的概念：單片機(jī)系統(tǒng)也屬于一種最簡單的小電腦系統(tǒng)，但是它的頻率很低，不適合進(jìn)行大數(shù)據(jù)的運(yùn)算，它的主要功能是通過控制其輸出引腳（I/O口）的電平高低，從而讓電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退。

單片機(jī)的引腳的輸出電流很小，我們可以使用它點(diǎn)亮LED燈，但是用它驅(qū)動較大的車體是不太現(xiàn)實(shí)的，所以這里采用一個驅(qū)動芯片來增大驅(qū)動的功率，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，換句話說，單片機(jī)是用引腳電平的方式告知驅(qū)動模塊。若需要機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時，需要控制左右兩邊的電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)不同方向的轉(zhuǎn)彎。簡而言之，只需要使一邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速快，另一邊的轉(zhuǎn)速慢，就可以使小車向轉(zhuǎn)速慢的一邊轉(zhuǎn)，同理，可以實(shí)現(xiàn)不同方向的轉(zhuǎn)彎。

我們把跑在單片機(jī)系統(tǒng)里面的程序稱之為下位機(jī)，這個程序的作用就是接受來自上位機(jī)的指令，并進(jìn)行解碼分析，了解用戶發(fā)出的是何種動作，然后讓單片機(jī)芯片的指定引腳進(jìn)行高低電平的賦值。

Wi-Fi智能小車指令傳輸?shù)脑韴D如下：

圖 2.4.1 智能小車機(jī)器人原理框圖

Wi-Fi控制下視頻傳輸?shù)脑恚簲z像頭通過USB數(shù)據(jù)線和Wi-Fi模塊進(jìn)行連接，Wi-Fi模塊又通過Wi-Fi信道與PC端或移動端的設(shè)備進(jìn)行通信，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)通過人為地操控PC端或移動端的相關(guān)軟件，來控制小車的移動或者機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、夾持、拆除等運(yùn)動。

3.結(jié)語

隨著人們對危險環(huán)境中作業(yè)減少傷亡的需求，智能排爆小車的設(shè)計能夠較好地符合人們各個方面的要求，因此，本設(shè)計有著廣闊的應(yīng)用前景，本設(shè)計的開發(fā)也具有重要的實(shí)際意義。

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