基于STM32RCT6的無線地面智能排障小車的設計

韓團軍

(陜西理工大學 物理與電信工程學院, 陜西 漢中 723000)

在惡劣和特殊環境下進行路面排障、貨物搬運、軍事偵查和處理危險物品,會造成人員和資源的大量浪費,甚至發生人身傷害。因此,設計制造一種智能排障小車十分必要[1-3]。本文提出了基于STM32RCT6的無線地面智能排障小車系統。該系統在設計上采用無線遙控對小車進行控制。整個系統可分為主從兩部分:主控模塊采集到控制信息并通過無線模塊將數據發送出去；從模塊接收到主控模塊發來的信號并對信號進行處理,然后輸出控制信號控制車身的運動和機械臂的抓舉動作。小車采用無線控制,操作靈活。如果在車身上安裝攝像頭,智能排障小車可用于軍事偵察和拆彈防爆等用途[4-6]。

1 系統硬件設計

系統硬件主要由主控模塊STM32RCT6、無線模塊NRF2401、液晶顯示OLED等模塊組成。主控模塊得到控制信號并進行處理后,通過NRF2401無線模塊發送到從模塊上,同時在主控模塊上顯示當前的數據信息。從模塊接收主控模塊發送的信號并將其處理為電機轉速和舵機方向的控制信息。主控模塊通過幾個外圍輸入(主要是2個操控桿的模擬電壓輸入)以及操控桿的按鍵開關調節檔位、鎖定按鍵和6個三檔開關控制機械臂運動。單片機讀取這些數據,然后通過配置NRF2401,將信號發送到從模塊上。從模塊接收到主控模塊發來的原始數據后進行處理優化。轉化成為控制從機的電機、機械臂、方向舵機等功能的信號,并且主從模塊上都具有OLED實時顯示數據功能,能夠檢測模塊是否工作正常。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統的整體結構

1.1 無線模塊的電路設計

無線模塊采用NRF24L01+PA+LNA,它可以在幾千米距離保證數據穩定傳輸。采用2.4 GHz 全球開放ISM頻段免許可證使用,最高工作速率2 Mbit/s,高效GFSK調制,抗干擾能力強,特別適合用于工業控制。該模塊用軟件設地址,只有在收到本機地址時才會輸出數據,可連接各種控制器使用[7]。無線模塊電路如圖2所示。

1.2 舵機機供電電路

舵機采用型號為S3010的模擬舵機,供電電壓為4.8～6.0 V。由于舵機內部是一個小的空心杯電機,所以需要較強帶負載能力的芯片供電。供電電路選用的芯片為LM2940-5.0穩壓芯片，該芯片具有輸出波紋小、內部靜態電流小、不易發熱、輸入壓差小、設計電路簡單等優點。2節18650鋰電池串聯形成7.4 V電壓,經LM2940降壓到5 V給舵機供電[8]。

圖2 無線模塊電路

1.3 電機驅動電路設計

電機驅動模塊為MOS管全橋驅動模塊。MOS管的輸入阻抗一般為1 TΩ。但是場效應管完全導通時,它的等效電阻只有幾毫歐姆。所以發熱量非常小,適合于大電流器件。MOS管的另一個顯著特點是開關性比較好,所以經常用作直流電機的驅動。MOS管導通時的電流可以默認為0，且比較容易導通。驅動電路圖如圖3所示。

1.4 機械臂驅動電路設計

無線地面智能排障小車的機械臂由6個KS-3518舵機構成。此款舵機內部為全金屬齒輪,扭矩大、反應迅速,并且具有防水功能。設計的工作電壓為5 V,在5 V的電壓下反應速度為0.07 s,扭矩為12.0 N·m 。6個舵機需要同時工作,所以需要較大的驅動電流?？刂品较虻亩鏅C由一個LM2940穩壓芯片便足以提供所需的電流。機械臂舵機選用LM2954S開關穩壓芯片,電壓輸入范圍為3～40 V,輸出為1.5～35 V連續可調直流電壓,長時間工作時可保持的最高電流為2.5 A。供電部分采用兩節18650鋰電池串聯組成7.4 V的電源,然后經LM2954S模塊穩壓到5 V,給6個舵機同時供電。機械臂驅動電路原理圖如圖4所示。

圖3 電機驅動電路

圖4 舵機驅動電路

2 軟件設計

2.1 主機工作流程設計

主機工作流程如圖5所示。主機工作流程需要對各個模塊進行初始化,設定各自的工作模式并對變量定義。初始化完成以后,開始檢測NRF2401模塊與單片機的連接是否正常,如果異常則報錯。

圖5 主機工作流程

然后,主控模塊給從模塊發送一串測試數據,檢測是否與從模塊連接上,如果接收到從模塊發回來的數據,則表示主/從機聯機成功,如果沒有接收到數據,則在此處等待,直到與從機聯機正常，開始進入主函數的while(1)循環。發送數據的時間間隔恒定為0.2 s,單片機開始讀操控桿采集的AD模擬量值,并且將其轉換成12位二進制數,進而轉換成十進制數進行處理。

再后，讀取控制機械臂的鍵值并存入變量,將所有變量發送出去,繼續讀數據。發送的變量有2路AD值、3位二進制數字、2路速度檔位信號、1路機械臂狀態鎖定信號,還有6位三進制數字控制舵機的狀態[9-12]。

2.2 從機工作流程設計

從機工作流程如圖6所示。

圖6 從機工作流程圖

與主機工作流程相似,從機開機以后也需初始化各個模塊,然后檢測接收模塊是否在位,若不在則需等待；開始檢測有沒有數據,沒有的話等待接收,接收到數據說明聯機成功,開始循環處理。當接收到主控模塊發來的9個數據以后,需要逐個處理。由于主控模塊的AD值是原始采樣信號,是0～4096之間的數字,所以需要進一步處理。控制電機轉速的頻率為10 kHz,單片機的處理速度為72 MHz,所以當控制電機滿占空比時的轉速為7 200 r/min。由于將轉速分為6個檔位,所以每個檔位對應的轉速分別為720、1 440、2 160、2 880、3 600、7 200 r/min。

然后,通過AD值和目標輸出的比例關系,將AD值轉換為電機PWM的輸出信號。舵機的控制信號也同理,只是不需要進行檔位的細分,直接運用AD值和PWM輸出信號的比例關系即可。

機械臂輸出信號由6位三進制數字控制,每一位可出現的數字有0、1、2。每一位對應著一個舵機,分別對應6個舵機。當某一位的數字為0時,則表示這一位對應的這個舵機狀態不變；當為1時,則此刻這個舵機緩慢順時針轉動；當為2時,逆時針轉動。

在控制方面,則是開機時給機械臂的6個舵機一個固定的初始位置。機械臂是由舵機組成的,所以控制其運動也是控制輸出PWM信號的占空比。當控制機械臂收到信號以后,判斷這位是0,是1,還是2。是0時,占空比不變；是1時,PWM占空比緩慢增加,加上延時；是2時,緩慢減小，從而控制舵機轉動。6個舵機可以同時工作,并且運動互不干擾。

3 測試結果與分析

3.1 硬件設計分析

控制速度和方向的裝置選用操控航模的操控桿,這種操控桿可以360°轉動,如果松手則操控桿能自動歸中。可以將操控桿的方向分為X軸、Y軸,無外力施加時操控桿的坐標可以表示為(0,0)。操控桿內部帶有2個電位器,一個是沿X軸,一個是沿Y軸。選用的操控桿電位器的阻值為10 kΩ,則操控桿在中間時X軸方向和Y軸方向電位器的阻值都為5 kΩ。這種操控桿模塊有個5個引腳,其中2個引腳分別接參考電壓(VCC)和地(GND)。引腳VRX和VRY接電位器中間滑片的引腳,當VCC和GND加載在電位器的兩端,改變阻值,則輸出電壓也會改變。操控桿在不同位置對應不同電壓值,單片機讀取操控桿模塊VRX和VRY引腳的電壓值,從而判斷操控桿當前所在的位置,繼而發出指令。

用了2個操控桿：左邊的是方向操控桿,只用了X方向的電位器；右邊的是控制油門的操控桿,只用了Y軸方向的電位器。操控桿上還有一個SW引腳,連接按鍵開關的一端,按鍵開關的另一端接地。當操控桿按下去時相當于按鍵開關被按下。為了保證信號的穩定,在按鍵開關連接單片機的引腳上增加1個上拉電阻。如果沒有按下按鍵,單片機讀到的是高電平；如果按鍵按下,讀到的則是低電平。發射端被做成操控桿狀,如圖7所示。

圖7 發射端實物圖

接收端被做成車身+機械臂的結構,主要由車身、機械臂、舵機、2節18650鋰電池、一節7.2 V氫鎳電池、電機驅動模塊、機械臂驅動模塊、穩壓芯片組成,需精心設計每一個模塊應該安放的位置。接收終端如圖8所示。

圖8 接收終端

3.2 測試結果與分析

硬件和軟件完成后,對整個系統進行了實際檢測。選擇8個直徑為5 cm的塑料球，讓智能排障小車在不同距離進行抓舉。抓舉的結果如表1所示。

表1 動態實際測試數據

通過表1數據可以看出:在100 m以內,智能小車可以用機械臂對設置物進行精確抓取；隨著距離的增加,抓取精度會相對變低。這是由于人為原因產生的誤差,如果為智能排障小車加上攝像頭,可以提高系統精度。

4 結語

設計完成了一種基于STM32RCT6的無線地面智能排障小車系統。該系統自帶機械臂,可實現遠距離無線控制,完成復雜環境的路面排障、貨物抓取等功能。通過實驗測試證明,該智能無線排障小車具有運行速度快且比較平穩、機械臂工作精度高等特點，可以在工業生產中推廣。

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