基于STM32單片機的麥克納姆輪小車設計

摘? 要：本文設計了一款基于STM32單片機的四輪驅動智能小車，能夠準確地實現尋跡避障功能。小車以單片機為控制核心，外接穩壓電源模塊、超聲波傳感模塊、電機驅動模塊。采用超聲波傳感器作為小車的傳感器模塊來識別路面和障礙物信息;采用BTN7971驅動芯片控制驅動模塊，并不再使用傳統小車的普通驅動輪，使用麥克納姆輪作為小車驅動輪。使本設計中的小車可以原地旋轉、左右平移，更加適應復雜環境，能夠快速、穩定地實現精準避障。所設計的智能小車結構簡單，容易實現。

關鍵詞：STM32單片機;智能小車;麥克納姆輪;超聲波避障

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）22-0174-03

Abstract：This design is based on STM32 single-chip microcomputer four-wheel drive intelligent car，can accurately achieve the track and obstacle avoidance function. The car takes microcontroller as the control core，and is externally connected with stable voltage power module，ultrasonic sensing module and motor driving module. Ultrasonic sensor is used as the sensor module of the car to identify road and obstacle information. BTN7971 driver chip is adopted to control the driver module，and the conventional car's ordinary drive wheel is no longer used，Mecanum wheel is used as the car's drive wheel. The car in this design can rotate in place and shift around，which is more suitable for complex environment and can achieve accurate obstacle avoidance in a fast and stable way. The intelligent car is simple in structure and easy to realize.

Keywords：STM32 microcontroller;intelligent car;Mecanum wheel;ultrasonic obstacle avoidance

0? 引? 言

當下科技的發展迅速，智能小車發展飛快，智能小車也作為機器人行業的典型代表，在汽車、機械生產、以及物流運輸行業里起到重要作用。本文所設計的四輪驅動智能車對以往的普通驅動輪做出了改進，全部使用了麥克納姆輪，可以實現在運輸過程中遇到障礙物時能夠全方位地移動，從而快速有效地實現避障。包括在很多道路復雜、障礙物多的情況下也可以憑借全方位移動來自動實現避障功能。如今常見的智能小車分為紅外線避障和超聲波避障。紅外線傳感器有很多局限性，如不可測量距離、容易受到灰塵和強光的干擾;而超聲波傳感器可以測量距離，受溫度和光線影響小，比較穩定，從而可大幅度增強其用于社會生產的能力。

1? 智能小車結構的設計

麥克納姆輪滾輪可以像傳統的車輪一樣前進后退，也可以實現橫行、斜行、旋轉及其組合的運動方式。當在工作運輸環境十分狹窄的情況下，就能提供多種解決方案，從而實現運輸工作。

本文所設計的四輪驅動小車由四個電機分別控制四個輪子，減少了每一個驅動輪的負擔，相對于傳統的后輪驅動小車，四輪驅動保證小車有足夠的驅動力，同時輪子使用的是麥克納姆輪。小車由STM32F103RC為核心驅動，由電源模塊、超聲波感應器模塊、電機驅動模塊組成。如圖1所示為小車電機驅動模塊的大體結構圖。

2? 硬件模塊設計

2.1? 智能小車的電源模塊

采用12V可充電鋰電池供電，電機驅動模塊直接由鋰電池提供12V的電壓，電源模塊使用的是XL2596穩壓芯片，通過XL2596芯片穩壓處理后輸出5V電壓提供給STM32單片機，能夠輸出穩定電壓以保證電源模塊正常有效工作。這樣即使電機驅動模塊和控制系統不分開供電，也能實現控制系統的穩定工作，減輕小車在電源上的承重壓力，為小車提供更大的驅動力。

2.2? 智能小車的超聲波測距模塊設計

超聲波測距原理：由單片機接超聲波探頭后IO口TRIG（控制口）觸發開始測距，能提供不低于10us的高電平信號，再通過超聲波模塊發送出8個40kHz的方波，自主檢測是否存在信號返回，如果有信號返回，通過IO口ECHO（接受口）輸出高電平，同時定時器打開，當IO口ECHO再次輸出低電平時，定時器關閉，記錄定時時間t，就是超聲波從發射開始到返回結束的時間。

所測距離=聲速（340m/s）*t/2

利用超聲波測距可以大程度地避免光線、灰塵、煙霧對于信號接收的影響，同時超聲波模塊周期性發送信號測距，可準確地將路面實時數據傳輸給單片機處理，使小車驅動輪做出相應的反應。

2.3? 智能小車的電機驅動模塊

本設計所述智能車要想穩定運行，不僅要在電源模塊上做出改變，在電機驅動方面也要有所不同。采用麥克納姆輪，質量較大、行駛平穩、可以左右平移、原地旋轉，比傳統小車更靈敏自由。采用直流減速電機驅動，使用12V寬電壓輸入電機，通電后電機轉速可達1600r/min，小車空載時轉速可達600r/min，電機減速比為1：30，車輪半徑為30mm。

當遇到障礙物時，超聲波傳感檢測將障礙物的數據分析處理后傳送給STM32單片機，然后由STM32單片機依據所檢測到的各個數據對比標準數據的處理結果輸送給BTN7971驅動芯片，從而來控制電機驅動4個麥克納姆全向輪，使小車改變方向。

2.3.1? 麥克納姆輪的運動原理

驅動輪示意圖如圖2所示。

當四個驅動輪同時向前或向后運動時，小車可實現向前或向后運動;

當輪1和輪3向前運動，輪2和輪4不動時，小車可實現向左前方45°平移;

當輪1和輪3向后運動，輪2和輪4不動時，小車可實現向右后方45°平移;

當輪2和輪4向前運動，輪1和輪3不動時，小車可實現向右前方45°平移;

當輪2和輪4向后運動，輪1和輪3不動時，小車可實現向左后方45°平移;

當輪1和輪3向前運動，輪2和輪4向后運動時，小車向左平移;

當輪1和輪3向后運動，輪2和輪4向前運動時，小車向右平移;

當輪1和輪4向前運動，輪2和輪3向后運動時，小車原地逆時針旋轉;

當輪1和輪4向后運動，輪2和輪3向前運動時，小車原地順時針旋轉。

通過單片機對四個電機的控制使得小車實現不同的操作。

2.3.2? 麥克納姆輪小車在特殊情況下的使用

（1）當小車行駛至如圖3情景下時，道路寬度微大于小車的長度，傳統的小車幾乎不可能實現轉彎，而麥克納姆輪小車就可以憑借自身優勢直接向右平移。通過這種復雜路段。

（2）當遇到圖4（a）中情景時，傳感器會先將四周的障礙距離數據輸送給單片機，如圖4（b）所示，如果小車中心距側面距離L小于小車的對角線的一半S時，電機驅動模塊會調節驅動輪使小車平行向左移動，直到L大于S時，單片機會驅動小車原地逆時針旋轉90°，從而順利避開障礙物。

本文所設計的小車可以順利地解決在社會生產中所遇到的幾種特殊的運輸情況，極大地提高生產效率。因為實際環境是復雜多變的，所以最終的運動情況取決于控制算法和實際環境。

3? 小車的優越性

本文所述麥克納姆輪小車的主要改進點使在驅動輪上，完全舍棄傳統小車的驅動輪，使用四輪驅動的麥克納姆輪。優點在于靈活的全方位移動、驅動力大、穩定性強、操作所需環境比傳統小車小。傳統小車在面對狹窄的彎道時會出現無法轉彎的情況，本小車解決了這個問題;且本小車可以使用平移的方法通過復雜路段，大大減小了對小車長寬的要求;傳統小車在遇到急轉彎或者越過障礙物時車身不穩定，本小車由于麥克納姆四輪驅動的特點，在遇到急轉彎和障礙物時比傳統小車多了很多特殊的轉彎和避障方法，大大提高了小車行駛的穩定性，保證小車的正常行駛。

本文設計的小車也可以給社會提供便利，在社會生產和運輸中通常會遇到很多復雜的路段環境，導致無法正常進行生產運輸，降低效率。而新型的麥克納姆輪車，便可以在一些復雜路段中比傳統輪車更加靈活，更容易適應生產運輸，提高社會生產力，所以在以后的社會生產中有很廣闊的應用前景。

4? 結? 論

本設計為基于STM32的以麥克納姆輪為驅動輪的小車，小車可實現傳統小車不能實現的平移、旋轉動作;采用測距精確、抗干擾性強的超聲波傳感器，實現數據的精確傳輸;每個車輪都配備單獨的12V電機驅動，提供了較大的驅動輪。在本文列舉出的幾種特殊的傳統小車不容易快速實現避障功能的車道，所設計的麥克納姆輪小車可以通過幾個模塊間的配合自主實現精準避障。雖然這種麥克納姆輪小車很多地方依然需要改進，但其結構簡單，容易實現，同時，在工業生產、社會生活、物流運輸等行業，都有很大的實用價值。

參考文獻：

[1] 陳飛鵬.基于STC89C52單片機智能小車設計 [J].硅谷，2012（11）：43-44.

[2] 柳智鑫.關于單片機的智能小車的設計與制作研究 [J].信息化建設，2015（12）：266.

[3] 張弘揚.基于單片機的智能小車裝置的設計 [J].科技風，2017（20）：12.

[4] 張萍.超聲波避障智能小車的設計 [J].自動化儀表，2017，38（9）：40-43.

[5] 祝松柏，李清宇.基于STC89C52的循跡避障智能小車的設計 [J].輕工科技，2018，34（3）：65-66.

作者簡介：孫全勝（1999.11-），男，漢族，安徽鳳臺人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。