基于ARM的移動機器人系統研究

袁天樂 賴亭潤 李威 李金 李嘯杰

摘 要：設計了基于ARM內核的移動避障機器人，對機器人系統分別進行了硬件設計和軟件設計。基于ARM內核的機器人硬件系統包括主控制器STM32F103ZET6，電源模塊、調速模塊和電機驅動模塊、無線通信模塊、避障模塊等，并完成了機器人硬件系統電路原理圖的設計。軟件系統以Keil ？Vision4為開發平臺，采用C語言為編程語言，設計了系統主程序、調速子程序、無線通信子程序、避障子程序等。實現了機器人的啟動停止、前進后退、左轉右轉、加速減速、加速左右轉、減速左右轉、調速移動避障等功能。

關鍵詞：ARM；STM32；移動機器人；避障

1 引言

智能機器人的快速發展，可以代替人們完成比較有危險系數或簡單費時低效的工作。移動機器人必須具有較高的智能性，能夠實施捕捉面臨環境的有效信息，并進行獨立判斷，進行實時反饋，讓我們可以更加客觀便捷地采取判斷。移動機器人在一定程度上可以解放勞動力，提高安全生產系數。可以通過移動機器人完成啟停、進退、左右轉向、加速減速、移動避障等動作，同時移動機器人具有環境感知能力，自行判斷進行下一步動作，完成實時環境數據采集。近年來，我國科技的發展緊跟世界科技迅猛發展的腳步，由于移動機器人系統是集嵌入式系統設計、電氣結構設計、人工智能、自動控制、無線通信、模式識別、圖像處理等多種技術于一體的典型智能機器人系統，綜合性極強[1]。許多高校都在開展機器人大賽訓練學生的自主創新能力，機器人大賽甚至已成為國際上各高校相繼舉辦的重點科技競技活動。

本文重點研究了基于ARM內核移動避障機器人系統設計，包括以STM32F103ZET6為主控制器的硬件系統和軟件系統，結構簡單，成本低廉，實用性強。

2 移動機器人系統的總體設計

基于ARM的移動避障機器人系統設計分為硬件設計和軟件設計兩個部分，硬件設計主要有六部分：主控制器、電源模塊、無線通信模塊、電機驅動模塊、調速模塊以及避障模塊。移動避障機器人系統硬件設計圖如圖1所示。

移動避障機器人性能的優劣會對其工作的效果產生質的影響，因此移動避障機器人需同時兼具穩定性以及靈活性。要能準確的實現前進、后退、左右轉、停車、移動避障等動作。

基于ARM的移動避障機器人系統整體的功能設計主要包含前進后退功能、左右轉功能、速度檢測及調節功能、移動避障功能等。

當移動避障機器人運動前方出現障礙物不能通過時，移動避障機器人進行避障操作。

3移動機器人系統的硬件設計

3.1主控制器

移動避障機器人系統的主控制器選用意法半導體（ST）公司發布微控制器STM32F103ZET6，功耗低、集成度高、時鐘頻率達到72MHz，微控制器采用高性能的ARM？ Cortex？-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，I/O口豐富，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器[2]。對STM32F103ZET6的最小系統電路進行設計，最小系統電路應包括電源電路、復位電路、晶振電路以及JTAG接口電路四部分。

3.2 電源模塊設計

移動避障機器人系統采用雙電源供電，分別給控制電路和電機驅動電路供電。主控制器需要供電電源為3.3V，電機驅動芯片L298N需要供電電源為+5V，電機需要的供電電源為+12 V，所以選用+12V可充電的鎳氫電池作為移動避障機器人系統的主電源，+5V和+3.3V可在電路中添加電源轉換芯片得到。移動避障機器人系統選用鎳氫電池作為供電電源，將+12V轉換到+5V采用轉換芯片7805。7805是三端穩壓集成電路，有三條引腳輸出分別是輸入端、接地端和輸出端。7805三端穩壓IC內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩定。能夠實現1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數，因此產品的應用范圍很廣泛。可以運用本地調節來消除噪聲影響，解決了與單點調節相關的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%。電源轉換電路如圖2所示。

主控制器STM32F103VET6工作電壓為2.0～3.6V，通常接+3.3V，供I/O端口等接口使用。內置的電壓調節器提供CM3處理器所需的1.8V電源，即把外電源提供的3.3V轉化為1.8V。+3.3V電源是由+5V電源通過電壓轉換芯片LM2596進行轉換得到的，在LM2596兩側都加了電容減少了電源受到擾動的影響。電源轉換電路如圖3所示。LM2596系列是德州儀器（TI）生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等[3]。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。提供的有：3.3V、5V、12V及可調（-ADJ）等多個電壓檔次產品。

3.3避障模塊設計

移動避障機器人系統避障模塊采用超聲波避障傳感器HC-SR04。HC-SR04 超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。基本工作原理：

TRIG 端觸發測距，給出至少10us的高電平信號； 模塊自動發送8個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；若有信號返回，通過 ECHO 端輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，然后就可以計算出距離。

脈沖工作方式如圖4所示。

3.4 電機驅動模塊設計

移動避障機器人系統采用42式步進電機作為動力來源，采用L298N電機驅動板驅動兩個42式步進電機。L298N如圖5所示。

L298N電機驅動板尺寸為57mm*50mm*33mm；重量為33g，采用L298N雙H橋電機驅動芯片，驅動部分端子供電范圍是Vs：+5V～+35V。電機驅動板體積小，質量輕，功耗小，穩定性高，且具有光耦隔離功能，驅動板正面有正反轉指示燈和電源指示燈[5]。驅動板上PWMA 和PWMB 輸入不同的占空比就可以分別調制兩個電機的速度，如果不需要調速，懸空即可。

L298N電機驅動模塊原理圖設計如圖6所示。

3.5 測速調速模塊設計

在電機控制系統中，通過半導體功率器件將所需的電流和能量傳送到電機線圈繞組中，進而控制電機的轉速和轉矩，PWM信號則是用來控制半導體功率器件開啟和關斷時間的。

PWM的原理圖如圖7所示，在三極管的基極輸入PWM脈沖，在ON的時間內，輸入是高電平，三極管處于導通狀態，電機轉動。在OFF時間內，輸入是低電平，三極管處于關斷狀態，電機停止轉動。電路中存在續流二極管，在OFF期間，仍能提供給電機能量，維持電機的運轉狀態[6]。

3.6 速度檢測模塊

移動避障機器人系統速度檢測模塊采用增量式光電編碼器，具有高精度、高分辨率、低慣量、低噪聲等特點。其結構簡單、抗干擾能力強、穩定性高。采用主控制器芯片STM32F103ZET6內部的定時器進行轉速測量[7]。光電碼盤安裝在軸上隨電機一起轉動，通過比較接收器獲得的兩組正弦波信號A相和B相哪一項在前判斷電機的旋轉方向，通過對單位時間內的光電編碼器輸出脈沖的個數進行計算得到當前電機的轉速[8]。增量式光電編碼器原理如圖8所示。

移動避障機器人系統采用測頻測周法測量電機的實時轉速[9]。同時測量時間和此時間內脈沖的個數來計算轉速值，電機低速轉動和高速轉動兩種情況均適用。

4 移動機器人系統的軟件設計

移動避障機器人系統的軟件設計以硬件功能和結構為基礎，根據各功能模塊的劃分，系統軟件程序包括：主程序、無線遙控子程序、避障子程序、測速調速子程序、電機驅動子程序等。系統采用C語言進行機器人程序設計，采用Keil μVision4為開發環境。Keil MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9等微處理器提供了一個完整的開發環境。

4.1 主程序設計

基于ARM的移動避障機器人系統的主程序中，首先進行各模塊初始化，包括超聲波傳感器測距、電機驅動等，然后是看門狗和中斷的初始化，運行障礙物檢測程序；當檢測到前方沒有障礙物，移動避障機器人按計劃繼續行進，當傳感器檢測到前方有障礙物時，則進入避障服務子程序，移動避障機器人進行避障[7]。移動避障機器人系統主程序流程圖如圖9所示

移動避障機器人系統避障模塊采用超聲波避障傳感器。利用超聲波避障傳感器接收發出信號，在一定距離內，可通過傳感器發出的超聲波檢測移動避障機器人前方是否有障礙物。在規定距離內如果出現障礙物，超聲波傳感器電平會發生跳變，將檢測結果傳遞給微控制器，微控制器將會作出相應的決策[10]。

移動避障機器人采用L298N來完成兩個電機的驅動，同時采用STM32的PWM端口對速度進行控制。通過對主控制器STM32F103ZET6的GPIO端口進行電平變換實現控制電機的正反轉，當主控制器引腳輸出控制信號10時電機正轉；輸出控制信號01時電機反轉。進而控制移動避障機器人進行前進、后退、左轉、右轉的基本動作。STM32自帶PWM脈沖輸出端，通過輸入不同占空比的PWM脈沖，可以控制電機的轉數，進而控制移動避障機器人的行駛速度[11]。脈沖輸出端是通過對PWM接口編程實現的。

L298N模塊輸入輸出關系如表1所示。

5 實驗方案設計

移動避障機器人車體采用輪式結構，容易建模控制，平滑性能較好，但是車體的輪子可能會與地面產生打滑的現象，導致移動避障機器人運行的穩定性不夠。在移動避障機器人測試中，采用兩個主動輪作為驅動輪和兩個主動輪作為輔助輪，以解決萬向輪摩擦力小帶來的不穩定性。移動避障機器人車體底板規格為20cm*15cm，高15cm，驅動輪車輪直徑是5cm，移動避障機器人車體分為三層：第一層放置主控制器STM32F103ZET6以及接線板，便于調控引腳控制信號；第二層放置電機驅動模塊以及電源模塊，電源模塊重量較大，放在第二層降低了重心，并且可以借助上下層的限制減小電源模塊運動，使移動避障機器人運動更加平穩。第三層是移動避障機器人車體的電機和車輪，將電機置于車體底層，使車體更加美觀。移動避障機器人的模型如圖10所示。

移動避障機器人避障模塊要及時的檢測到障礙物并且進行躲避動作。避障模塊的測試內容是：移動避障機器人初始狀態時停止狀態，測試開始，在移動避障機器人的車體前方放置不同大小的障礙物，測試避障模塊檢測到障礙物的時間以及能否做出相應的躲避行為。測試結果如表2所示。

由表2中移動避障機器人避障模塊測試結果可以看出：60次實驗中移動避障機器人車體前方超聲波避障傳感器有57次成功檢測到障礙物，并且將信息及時反饋給主控制器，主控制器驅動電機進行相應的躲避行為，但是在測試過程中發現當障礙物高度低于避障傳感器水平位置或者障礙物距離傳感器過近時，會導致避障失敗。

6 結束語

通過對機器人智能化發展現狀的分析，結合嵌入式系統多任務的設計思想，實現了以單片機STM32F103ZET6為核心的移動避障機器人系統。ARM機器人是機器人研究領域的重要分支，為了進行ARM機器人的系統研究，首先根據機器人系統的功能設計確定了適合機器人啟動停止，前進后退，左右轉，移動避障，測速調速的Cortex-M內核的STM32芯片。在硬件設計方面更多的注重結合軟件編程的模塊化思想，設計了機器人移動避障和步進電機驅動的模塊。最終設計出的ARM機器人的分層與模塊化結構。同時具有低成本、低功耗、智能化高以及通用性的特點。

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作者簡介：

袁天樂（1997.07-），男，漢族，湖南長沙人，本科大四學生，本科生，主要在大學研究數值計算和計算機軟件的編程，學習計算科學與信息專業相關的課程

項目名稱：基于ARM的機器人系統研究

項目編號：C201704446