基于STM32的全向移動機器人設計解析

（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519088）

0 引言

因為雙輪機器人的目標點定位有誤差，且調(diào)整效率較低，需要到達目的地后再次調(diào)整方向，影響搬運效率的提升。所以，該文在嵌入式單片機（STM32）的基礎上設計出的全向移動機器人可以有效克服位置與角度的誤差，促進搬運效率的提升，充分滿足當前工業(yè)發(fā)展的新需求。

1 全向移動機器人的硬件設計

1.1 USB轉(zhuǎn)串口模塊

在微控制器的內(nèi)部設置TTL電平，將輸入門2.0 V～5.0 V設置為邏輯“1”，0.0 V～0.8 V設置為邏輯“0”；輸出門2.4 V～5.0 V和0.0 V～0.4 V分別設置為邏輯“1”和“0”。USB總線經(jīng)過D+與D-2個信號線實施通信，當D+為高電平、D-為低電平時，就意味著總線為邏輯“1”，反之則為邏輯“0”。因此，當微控器與計算機總線相連時，如果要開展串口通信、ISP固件下載等工序，則應該利用串口模塊將計算機中SUB口信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒖刂破髦С值腡TL串口電平，并將微控制器中的TTL電平轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺R別的USB總線電平。利用USB總線中的轉(zhuǎn)接芯片CH340完成USB口向TTL串口的轉(zhuǎn)變。對于前者來說，它的作用主要體現(xiàn)在2個方面：1）將CH340芯片中RXD引腳微控制器的異步串口連起來，并與調(diào)試軟件相結(jié)合實現(xiàn)串口調(diào)試。2）將芯片中的RTS#、DTR引腳以及ISP電路連在一起，這樣就可以利用USB對微控制器固件程序進行下載[1]。

1.2 超聲波測距模塊

超聲波頻率超出人耳的感知范圍，一般為2 000 Hz以上，且波長較短，帶有狹小的發(fā)射線束，并通過波束的形式廣泛傳播，方向性較為明確。壓電式發(fā)生器的應用較為普遍，當發(fā)射超聲波時，發(fā)生器應該將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌曊饎樱划斀邮辗瓷浠夭〞r，在傳感器的作用下可以將回波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺@就是壓電效應[2]。在該文的研究中，機器人采用HC-SR04模塊進行距離測量與障礙規(guī)避，其額定電壓值為DC5 V，頻率為40 kHz。可以測量4.0 m內(nèi)的障礙物，精準度可以達到0.3 cm。

除電源之外，該模塊的接口還可以是TTL輸入引腳與回波輸出引腳。該模塊的應用原理如圖1所示，主要包括觸發(fā)信號、發(fā)射信號與回波。具體傳輸原理：首先，在微控制器中發(fā)出信號，經(jīng)過該模塊的輸入引腳進入發(fā)射電路；其次，利用超聲波對回波信號進行輸出；最后，傳微控制器的額外定時器中。該控制器可以定時器中的輸出模式與傳輸引腳結(jié)合在一起，對電平信號進行轉(zhuǎn)換，為該模塊提供一個超過10 μs的高電平信號，并發(fā)送8個頻率為40 kHz的脈沖信號。如果該信號遇到反射物體后進入超聲波模塊，則接收器將接收到固定時段內(nèi)的信號。回波的持續(xù)時間與超聲波的往返時間相同，接收器將高電平信號輸入引腳，利用定時器對信號進行采集，得出信號升降的時間，進而計算出回波脈沖的寬度。

1.3 Wi-Fi通信模塊

該模塊屬于上位機中的智能終端，與下位機的主控器進行通信傳輸。在實際應用中，智能終端可以借助內(nèi)部Wi-Fi模塊將軟件指令傳遞給主控器中的通信模塊。待主控器接收到傳遞信息后，USB攝像頭中采集的視頻信號也可以通過Wi-Fi模塊傳遞到智能終端。該模塊在Linux內(nèi)核的基礎上構(gòu)建操作系統(tǒng)，并支持路由器開發(fā)。在OpenWrt系統(tǒng)中創(chuàng)建媒體服務器，就可以發(fā)揮實時視頻傳輸?shù)淖饔谩Ｔ撓到y(tǒng)可在多樣化嵌入式芯片中運行，除支持MIPS體系之外，還支持PowerPC與ARM等結(jié)構(gòu)。全向機器人中的Wi-Fi模塊內(nèi)置MT7620芯片，具有580 MHz主頻的特點。在通信模塊中配置32 MB內(nèi)存，當通信接口與串口相連時，其額定電壓為DC5 V。

圖1 超聲波測距原理圖

1.4 電機驅(qū)動模塊

在機器人運行的過程中，動力電機會為伺服電機提供相應的控制信號，并結(jié)合控制指令執(zhí)行運動動作。動力電機與驅(qū)動器共同組成伺服系統(tǒng)，也就是隨動系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制肌肉系統(tǒng)的作用[3]。該文采用型號為RMDS-106+的驅(qū)動器，其接口如圖2所示。將其作為主控芯片，為RS485通信模式提供支持，還可以與PC連接進行驅(qū)動調(diào)試，為每個電機配置1個驅(qū)動器。在調(diào)試過程中，將232T、GND以及232R接口與PC相連，將額定電壓設置為24 V，采用串行方式與PC通信，為驅(qū)動器標記唯一的號碼，以免出現(xiàn)混淆。主控設備可通過CANL信號線與驅(qū)動器連接，再通過總線通信將運動指令傳遞到總線。驅(qū)動器中的接口也可以通過并聯(lián)模式掛載到主控總線上，與驅(qū)動器監(jiān)聽的編號信息相結(jié)合，依靠定時器形成特定比例的PWM波形。在該波形中還需要增加功率放大電路，從MT1與MT2引腳輸出后，可對動力電機進行驅(qū)動，使其滿足轉(zhuǎn)速運動的需求。

圖2 驅(qū)動器接口示意圖

控制電機轉(zhuǎn)速和方向的方法較多，當前，應用較為頻繁的1種是調(diào)節(jié)勵磁與電樞電壓的方法。勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應相對較弱，在低速狀態(tài)下很容易受到磁極飽和的影響，導致效果不夠理想。為了達到精準可靠的目標，同時獲得較大的轉(zhuǎn)矩，與大多數(shù)機器人控制場景相同，該機器人也采用電樞控制模式進行伺服電機操控，并在電樞上加入特定的直流電壓，電機就可以根據(jù)電壓值進行相應的旋轉(zhuǎn)，當電壓方向改變后，電機旋向也隨之改變。

2 全向移動機器人的軟件設計

2.1 開發(fā)環(huán)境

在安卓系統(tǒng)中運行時，該機器人將智能終端作為上位機，在Linux基礎上構(gòu)建移動操作系統(tǒng)；底層程序庫利用C++語言編寫相關(guān)程序，其中，應用程序均由Java語言編寫。Google企業(yè)為開發(fā)者專門打造了集成工具安卓Studio，并營造與之相對的開發(fā)環(huán)境。下位機是以STM32F103作為主控系統(tǒng)，它的軟件是在MCU中運行的控制固件代碼，其集成嵌入式開發(fā)環(huán)境、構(gòu)建程序編譯工具鏈并將下機位作為ARM的開發(fā)平臺。在下機位內(nèi)部有指令模擬器，同時具備單機脫離硬件調(diào)試的能力。在不嵌入單片機硬件的條件下，就可以在模擬代碼中運行。該企業(yè)為微控制器開發(fā)了很多庫函數(shù)，并對庫函數(shù)進行合理地應用，極大地縮短了軟件開發(fā)周期，主要流程如下：首先，創(chuàng)建相應的工程項目，針對內(nèi)部參數(shù)進行設置，例如晶振頻率、目標芯片等；其次，在項目中編寫代碼，使軟件功能更加豐富完善，可以完成工程編譯、測試等操作；再次，當發(fā)現(xiàn)錯誤后及時糾正代碼，對其進行重新編譯直至準確無誤；最后，再將其與硬件相結(jié)合進行調(diào)試。

2.2 上位機設計

安卓端程序設計主要包括流媒體數(shù)據(jù)、App參數(shù)與控制指令等內(nèi)容。在啟動App后，先進入?yún)?shù)設置界面，在該界面明確控制信號IP地質(zhì)以及流媒體服務器IP地址等。在控制指令中，可以利用圖片按鈕組件實現(xiàn)在App應用中，對按下按鈕時的事件進行監(jiān)測，如果監(jiān)測到按鍵被按下，就會將鍵值傳送到控制信號的IP地址中，由Wi-Fi模塊對控制信號進行接收，再經(jīng)過串口傳遞給主控制器。對實時流媒體服務器中的IP地址進行訪問，利用解析器對服務器中的視頻信息進行播放，就可以達到遠程監(jiān)控的效果[4]。

2.3 下位機設計

該軟件的主要作用是對上位機控制指令做出響應，并控制機器人運動，將采集的數(shù)據(jù)傳遞到App。串口通信程序設計包括數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收等程序。主控器接口可經(jīng)過RX數(shù)據(jù)、TX數(shù)據(jù)與Wi-Fi模塊相互連接。在兩者之間利用相同的通信協(xié)議進行串口通信，每個數(shù)據(jù)包中帶有5 Byte，以Ofxx作為包頭與包尾，可用的數(shù)據(jù)位還剩下3 Byte。當通信程序檢驗到頭尾為Ofxx時，就意味數(shù)據(jù)是有價值的，可存入緩沖區(qū)域；反之，則說明數(shù)據(jù)無效，應將其剔除。CAN總線可完成數(shù)據(jù)收發(fā)工作，在串口接收下重新編碼，將CAN指令傳遞到電機驅(qū)動器總線中，對驅(qū)動設備傳遞的信息進行接收。在開啟通信端口前，應該對串口能否成功開啟進行檢驗，如果成功開啟，就可以對端口進行初始化；反之則在出現(xiàn)錯誤信息后停止運行。在初始化啟動后，根據(jù)串口信號做出相應決策，生成與之相對的數(shù)據(jù)幀。在電機驅(qū)動下根據(jù)信號對底盤電機進行控制，也可以通過驅(qū)動器中的收發(fā)器傳遞給機器人。如果發(fā)現(xiàn)機器人的運動狀態(tài)達到預期目標，就停止操作；否則要重新讀取串口數(shù)據(jù)，并重復上述流程。

2.4 電機驅(qū)動程序設計

電機利用較為典型的PID閉環(huán)控制算法，以STM32F103微控制器為主芯片，以伺服電機為執(zhí)行器，在反饋值與理想值的基礎上構(gòu)建PID控制系統(tǒng)。PID控制是積分、微分和比例的統(tǒng)稱，在伺服電機驅(qū)動器為動力電機傳輸信號后，其控制信號從零跳轉(zhuǎn)到給定值，使機器人運行更加穩(wěn)定，實現(xiàn)平滑控制的目標。比例控制以反饋與理想值的誤差作為控制值。當比例控制趨于穩(wěn)定時，就處于穩(wěn)定狀態(tài)。在取值范圍內(nèi)，雖然控制增益與穩(wěn)態(tài)值成反比，后者隨著前者的增加而減少；但是也可能出現(xiàn)振蕩情況。為了減少該情況的出現(xiàn)，可以利用積分控制實現(xiàn)比例控制。積分控制主要是控制信號與誤差信號的和，它可以把比例控制形成的穩(wěn)態(tài)誤差剔除，一般與微分控制聯(lián)合應用[5]。PID原理，如圖3所示，與期望控制量進行對比，如果超過該值就將比例、積分與微分控制結(jié)合起來，共同作用于伺服電機，并且輸出實際控制量；如果沒有超過該值則在進行反饋后，輸出實際控制量。

在運動控制方面，可以以運動控制中是否采用PID參數(shù)為根據(jù)，將其分為開環(huán)與閉環(huán)2種控制模式。對于前者來說，可以直接設定伺服電機數(shù)值，不需要對反饋量進行分析。在對動力電機進行檢測時，可以優(yōu)先采用開環(huán)控制。通過伺服電機的電流控制，在狀態(tài)趨于穩(wěn)定后，使電機內(nèi)的電流達到恒定狀態(tài)，并且讓力矩隨著時間的變化而不斷改變。電流值與電機加速度成正比，當對電流值進行控制時，電機速度也會隨之而變。在該模式下，可以確保電機長期運轉(zhuǎn)時電流值穩(wěn)定在科學可控的范圍，避免因為電機長期堵轉(zhuǎn)導致內(nèi)部電流激增，最終而造成電機過熱被毀。伺服電機長期保持特定的速度運轉(zhuǎn)，被稱為速度環(huán)控制。當速度環(huán)控制居于穩(wěn)定時，伺服電機速度與負載均受到直接影響。可以應用于多種需要電機保持恒定的場所。當開環(huán)運行時，伺服電機轉(zhuǎn)速較快，受慣性作用影響，難以使其在短時間內(nèi)暫停運行。因此，速度環(huán)模式也可以用于控制運動體剎車，其反饋速度可以從光電編碼器中體現(xiàn)出來；在速度控制時，積分控制與比例參數(shù)基本相同。電流速度控制包括速度和電流2個方面，不但可以促進直流伺服電機的穩(wěn)定運行，而且還可以輸出恒定力矩，在長期擁堵的狀態(tài)下避免因電流過熱而損壞設備。在控制參數(shù)中包括速度比例、電流積分參數(shù)和比例參數(shù)等。通常情況下，機器人采用電流速度控制，要求伺服電機按照特定速度轉(zhuǎn)動，電流值小于給定值。

圖3 PID控制原理圖

3 系統(tǒng)測試

為了檢測控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定可行，在STM32的基礎上構(gòu)建的全向機器人，可以利用無線通信為上位機傳送指令，借助串口將數(shù)據(jù)打包傳遞給開發(fā)板，并將融合數(shù)據(jù)反饋給上位機；同時，對長短里程的精度指標進行分別測試。在里程精度測試中，以短距離為主，直線速度為0.5 m/s，角速度為0.5 rad/s，多次測試后匯總得出底層誤差，見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，橫軸與縱軸的距離均為998 m，自轉(zhuǎn)角度為360°；在誤差方面，縱軸誤差超過橫軸；那么，就可以接受自轉(zhuǎn)角度存在誤差。

表 1 里程誤差

對長距離的里程精度進行測試，當距離在220.000 m時，總轉(zhuǎn)角為1 980.0°；當橫軸偏差為-2.680 m、縱軸偏差為-2.983 m時，角度偏差為13.7 °。因為考慮到機器人在運行中底部容易打滑，所以在進行零半徑轉(zhuǎn)彎測試時，只要轉(zhuǎn)角值為7 200.0 °、差值為48.5 °、橫軸誤差在80 mm以內(nèi)，縱軸誤差在100 mm以內(nèi)，都符合相關(guān)規(guī)定的要求。

4 結(jié)論

總的來說，首先，該文對移動機器人系統(tǒng)的軟件、硬件設計進行分析，在STM32的基礎上使控制系統(tǒng)更加精準靈活，通過人機交互系統(tǒng)實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控，使PID控制算法得到優(yōu)化；其次，將其應用到嵌入式軟件設計中，通過應用安卓系統(tǒng)的上位機App進行設計；最后，對機器人樣機進行試驗測試，并將檢測結(jié)果進行分析，從而有限驗證了機器人的可控性、穩(wěn)定性與可行性，實現(xiàn)理想的人機交互效果。在未來的研究中，還可以將多傳感器技術(shù)引入其中，為機器人路徑規(guī)劃與導航設計提供強有力的支持，使其擁有更高的自主移動能力，在各種復雜的環(huán)境中得到廣泛應用。