基于STM32的雙足機器人控制系統設計與實現

文/張冬冬

機器人是集眾多高新領域于一身的高技術產物，由于技術的不斷成熟，機器人的應用領域更加廣泛，發揮越來越重要的作用。本文采用STM32單片機作為核心處理器，為姿態傳感器MPU050、舵機及超聲波測距傳感器提供良好的控制平臺。

1 系統總體設計

該款機器人各關節的運動均由舵機實現，按照舵機所處位置將舵機分為四組，分別對應機器人的四肢，便于后期編程和調試。上位機通過無線串口向機器人主控制器發出指令，主控制器判斷指令后控制對應舵機協調轉動實現機器人直行、轉彎、后退等一系列動作。在機器人運動的同時，姿態傳感器MPU6050實時收集機器人的姿態數據并反饋到主控制器，主控制器對反饋回來的數據經過解算得到機器人的俯仰角、橫滾角、航向角；根據三個姿態角的大小判明機器人運動的方向和姿態，對機器人運動路線進行修正和姿態的調節；并通過無線串口將信息發送到上位機，使操作人員及時了解運動狀態，從而增強運動的穩定性；當前方有障礙物時，超聲波傳感器測出障礙物的距離，當距離超過預設的安全距離時，機器人將執行避障程序，繞開障礙物，確保能夠繼續運行。

2 硬件組成及功用

系統的硬件部分主要由動力系統，控制模塊，傳感器模塊，通信模塊，電源模塊等組成。具體如下：

2.1 主控制器

控制系統采用STM32F103C8T6芯片核心板作為主控制器。該芯片是一款基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器，運行頻率高達72MHZ，工作電壓2V～3.6V，可以輸出多路PWM方波，能夠支持多串口同時通信，體積小巧，重量輕；能夠較好滿足要求。

2.2 數字舵機LD-220MG

數字舵機LD-220MG主要由馬達、控制電路、減速齒輪等組成；相比于傳統舵機具有響應速度快、控制精度高、線性度好等優勢；同時該舵機扭矩較大，能夠為雙足機器人運動提供充足的動力。舵機的控制信號是脈沖位置調制(PWM)信號，周期為20ms，通過改變方波的脈沖寬度，使舵機轉軸的角度發生變化。

2.3 姿態傳感器MPU6050

MPU6050整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，自帶數字運動處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過IIC接口，輸出姿態數據，非常方便的實現姿態解算。

2.4 超聲波測距傳感器

HC-SR04超聲波測距模塊測距范圍2cm-400cm，測距精度3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。主控制器向模塊發出觸發信號，模塊內部將發出周期電平且接收器檢測回波；根據接收回波的時間間隔，可以得出：距離=接收間隔時間*聲速（340M/S）/2，從而實現測距。

2.5 供電模塊

機器人供電由一塊7.4V大容量鋰電池提供，但由于主控制芯片，舵機，傳感器等器件工作電壓不盡相同，所以需要對鋰電池進行降壓。利用MP1584降壓芯片對鋰電池進行降壓然后其他元器件供電。該降壓芯片通過手動調節可調電位器便可以調節輸出電壓，輸出電壓范圍大，操作簡單。

2.6 E50-TTL-500無線通信模塊

該模塊是一款直插型無線串口模塊（UART），收發一體，半雙工，透明傳輸方式，兼容3.3V與5V的IO口電壓，適用性強；發射功率大，傳輸距離遠。同時，該模塊的數據壓縮功能和糾錯算法，使其具有較強的抗干擾能力和較高傳輸效率。

3 軟件設計

機器人控制系統在軟件方面的設計主要有舵機組動作程序，主程序，測距程序，姿態調節及路線修正程序。程序流程如圖1所示。

4 結束語

圖1：程序流程圖

本設計能夠通過無線串口遠距離發送指令控制機器人；搭載精度較高的姿態傳感器，在一定范圍內能夠自主調節機器人的姿態，保持平衡，降低跌倒風險，提高行走的穩定性，拓寬活動范圍。同時，該款機器人擁有十二個自由度，運動較為靈活，亦可以將其改裝成舞蹈機器人用于科普實驗。