基于STM32 的智能交互式平衡小車

黃志芳，陳澤銳，何梓杰，宋世杰

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東梅州 514015）

隨著人工智能、物聯網技術的不斷發展，各行各業對于機器人使用的要求和智能化也越來越高，機器人如何更好地結合人工智能和物聯網技術來滿足各行各業的需求已成為當今研究的熱點[1-2]。智能小車作為小型智能機器人，其機動靈活、操作方便，車上可集成各種精密傳感器，其避障功能確保了小車在行駛中能夠避免發生碰撞、碰擦，是智能小車的重要組成部分。智能小車是人工智能、自動控制、計算機等學科交叉融合的產物，并在無人駕駛汽車和智能掃地機器人中起著重要作用[3-6]?？刂葡到y是智能小車的關鍵部分，可以根據預定的軌跡在復雜的環境中行駛，實現小車的速度和位置控制，完成指定的任務，并在智能小車系統中占有舉足輕重的地位[7-9]。傳統的智能小車是一種四輪驅動機器人，四輪驅動導致了智能小車體積較大，在比較狹窄空間中的轉彎性、行動性會受到較大限制，遇到石塊、坑洼障礙物時會導致傳統智能小車脫困能力較差[10]。為此，文中設計了兩輪獨立的智能交互式平衡小車，以MPU6050 陀螺儀感知小車的平衡狀態，以TB6612 電機來控制兩輪差速值，從而達到小車自平衡，可應用于消防、無人巡查、娛樂等領域。

1 整體方案設計

基于STM32 的智能交互式平衡小車是由硬件部分、軟件部分和各個模塊構成的。硬件電路中SMT32F103 與STM32F429 系列芯片作為主控芯片，分為上下兩層，STM32F429 為上層主控芯片，SMT32F103 為下層主控芯片。上層主要用于圖像處理以及處理超聲波、語音模塊、WIFI，作為平衡車的“大腦”；下層為控制小車的主控板，作為平衡車的行動支架。兩塊芯片采用串口方式進行通信，通過上層控制下層小車的運行，硬件連接如圖1 所示。

圖1 硬件連接圖

使用者通過語音控制模塊識別查詢天氣指令，將WIFI 模塊連接到服務器，通過服務器得到所處位置的相關氣象信息，并且將獲取的信息進行解碼和編譯，發送到語音模塊進行播放。

使用者還可以通過語音模塊控制平衡車的平衡和動作狀態，通過語音控制平衡車處于休息或跟蹤追尋狀態。當進入休息狀態時，使用者可以隨時喚醒平衡車進入跟隨狀態。當進入跟隨狀態時，通過圖像識別和處理，可以實現平衡車實時跟蹤使用者所佩戴的具有紅外功能的手套，實現跟蹤追尋使用者的功能。

上層主控芯片通過語音識別模塊SYN7318 識別使用者的語音控制指令，攝像頭OV5640 用于采集圖像，通過識別算法計算出紅光的運動軌跡，進而判斷小車的運行軌跡，實現自動跟隨、巡查功能。WIFI模塊通過連接手機熱點，即可連接上服務器，并且可以查詢到當天某個地區的天氣情況。

2 硬件設計

硬件系統以STM32F429 與STM32F103 兩塊單片機作為核心控制芯片，兩個芯片之間的協調通信采用串口通信。STM32F429 連接OV5640 攝像頭、SYN7318 語音模塊、WIFI 模塊、超聲波模塊，作為平衡小車的核心“大腦”，攝像頭采集具有紅外功能的手套信息，并鎖定圖像信息，作為跟隨的指示信息。語音模塊隨時接收使用者的語音指令，對語音指令進行解析，并把解析結果傳輸到平衡小車的核心控制芯片。WIFI 模塊主要負責實現與網絡的連接，用于查詢相關天氣信息和語音信息。超聲波模塊用于探測平衡小車周邊障礙物的信息，根據探測的信息來控制下層芯片，下層芯片根據小車反饋的周邊障礙物的距離信息來調整陀螺儀、電機的操作。STM32F103 連接MPU6050 陀螺儀,TB6612 電機驅動模塊控制整輛小車行駛的速度[11-12]。平衡小車通過5 000 mA，12 V 電池進行供電，經過穩壓電路來保證其供電穩定，平衡小車的實物圖如圖2 所示。

圖2 平衡小車實物圖

2.1 STM32F429與STM32F103主控芯片

STM32F429 是一款目前市場上主流的核心控制芯片，具有速度快、穩定性高、存儲容量大等強大的功能[13]。該項目采用該芯片進行圖像存儲以及處理，能夠更好地提高整體小車跟蹤的靈敏度和準確性，其最小系統原理圖如圖3 所示。

圖3 STM32F429最小系統原理圖

STM32F系列是32位的ARM微控制器，內核采用Cortex-M3，內部集成了定時器、CAN、ADC、SPI 等多種外設功能，能夠滿足一些項目的需求。

2.2 OV5640攝像頭

OV5640 是一款500W 像素的高清攝像頭，采用一顆2 592*1 944 分辨率的傳感器，該模塊內部集成了具有自動對焦功能的兩個功率為1 W 的高亮LED閃光燈，能夠實現在暗光下拍攝的需求，具有較高的性價比[14]。設計時在攝像頭前裝置了一個濾光片，從而使攝像頭只拍攝到紅外光。經過對圖片的處理，實現了對特征點的追尋，原理圖如圖4 所示。

圖4 OV5640攝像頭原理圖

2.3 SYN7318語音模塊

SYN7318 語音模塊集成了語音識別、喚醒、播放等功能，通過串口通訊方式接受命令，擁有廣闊的應用領域和使用場景，可內置客戶應用程序，廣泛應用于車載GPS 調度終端、插卡音箱、點讀機、智能儀表等領域。模塊的TXD、RXD 分別與STM32 主控芯片串口1 的RXD、TXD 相連，從而進行通信和傳輸數據。

2.4 MG90S舵機

MG90S 是一款通過PWM 進行控制的舵機，通過調整占空比的大小，可以實現對其旋轉角度的改變，采用5 V 電壓進行供電。設計所采用的舵機是金屬型舵機，能夠增加其穩定性，相比于塑料舵機使用時間更長。平衡小車主要通過云臺搭載兩個舵機，從而實現對攝像頭拍攝角度的控制，使得小車在無光源的情況下順利找到光源。

2.5 MPU6050芯片

MPU6050 是一款同時帶有陀螺儀和加速度傳感器的芯片[15]，平衡小車使用一個MPU6050 芯片的模塊進行設計，該模塊主要通過IIC 總線進行通信，其內部自帶了16 位的A/D 轉換器，能夠實現對角度的高精度轉換，以滿足用戶需求；并且，由于該模塊可以快速準確追蹤角速度以及其工作電壓范圍廣的特點，因此可應用于不同的工作環境。平衡小車通過該模塊來獲取小車當前的傾斜角度以及加速度，對這兩個信息進行分析，再通過PID 算法來實現控制小車的平衡以及運動。

2.6 TB6612電機驅動

TB6612 電機驅動模塊是一款用于驅動電機轉動的模塊，其具有兩個通道輸出，可同時控制兩個電機，每個電機可輸出1.2 A 的電機驅動電流，啟動的峰值電流可達2 A/3.2 A，能夠滿足大部分電機的需求，并且可以實現正反轉以及制動的功能，具有低壓檢測電路和熱停機保護電路，能夠有效保護電源和電路[15]。電機驅動原理圖如圖5 所示。

圖5 TB6612電機驅動原理圖

2.7 減速直流電機

減速直流電機主要是在普通直流電機的基礎上再配備了齒輪減速箱，其主要作用是提供較大的力矩和較低的轉速。該減速直流電機通過齒輪箱不同的減速比獲得不同的轉速和力矩，顯著擴大了直流電機的使用范圍[16]。文中選用減速直流電機控制整個小車的行走以及平衡，通過控制PWM 占空比實現對減速電機的控制，從而實現對小車的控制。

3 系統軟件設計

3.1 主程序流程

主程序流程圖包括上層板和下層板主程序流程圖，上層板主要為圖像識別，下層板主要接收上層板的指令，控制小車的平衡和行走。上層板主程序流程圖首先通過對各個模塊以及內部資源進行初始化，控制云臺平躺，并且發送指令控制小車停止，接著進入主循環，獲取光源。若有光源，則進入對準光源模式；若無，則進入尋光模式。上層板的主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 上層板主程序流程圖

下層板首先對各個外設以及內部資源進行初始化，控制小車保持直立的狀態，接著進入主循環，當接收到控制小車的指令后，小車將做出相應的動作。攝像頭捕捉到紅光后，還需將紅光校準至中心點，因此將此任務分為一個子函數。當確定捕捉到紅光后，先判斷紅光是否處于X、Y軸上，若是，則判斷處于X、Y軸的正負半軸，然后發送指令給下層小車控制板；若否，則獲取該紅光與中心軸的角度及所屬象限，再獲取超聲波距離，當前景條件滿足且需要前行時則發送指令給下層小車控制板。

3.2 跟隨紅光流程

由于小車開始可能與紅光的距離很遠，因此若要靠近紅光，則需要在運動的過程中同時考慮紅光的距離與小車的運行軌跡。首先按照程序設定采集兩次圖片，判斷是否有紅光，如果沒有，則控制云臺平躺，重新進入尋光函數；如果有，則判斷其位于Y軸的正負方向，若為正方向則發送指令給小車繼續前行，再循環采集圖片；若為負方向，則控制云臺下躺5°～10°，并且記錄躺下度數，以方便判斷云臺是否處于平躺的位置，進而判斷是否處于紅光正下方，且成功對準。

3.3 尋光函數

小車運行開始時無法判斷和鎖定紅光位置，通過控制小車轉彎及云臺的上仰和平躺操作實現對紅光位置的判斷和鎖定。進入尋光函數后，先采集兩次圖片，若首次采集圖片中有紅光，則采集結束并進入鎖定紅光階段，反之控制云臺攝像頭在20°～80°范圍內進行上仰操作，以尋找紅光，直至鎖定紅光。若云臺上仰至80°后還沒有找到光源，則不再執行攝像頭上仰操作，結束尋光操作。尋光流程圖如圖7 所示。

圖7 尋光流程圖

4 調試結果

在完成了硬件、軟件各個模塊的設計制作后，對硬件電路各模塊進行測試，結果表明，硬件電路各個模塊功能正常；將軟件程序下載到芯片中，使得程序正常無誤，軟硬件適配。攝像頭模塊可以準確地采集到具有紅外功能的手套，并且在較為復雜的使用環境中識別出紅外手套，識別距離達到了最遠為5 m，最優識別距離為1.4～2.6 m，識別率達到了99.4%。識別出平衡小車在喚醒模式下能實現自助跟隨功能。語音識別模塊可以識別出使用者的相關指令，根據指令完成平衡小車的喚醒、休眠、播報、交流等功能，各個模塊功能正常。小車自平衡狀態通過陀螺儀和電機共同完成，通過前后左右的推放測試，平衡小車都可以實現自平衡，自主修正狀態，保持平衡。小車的平衡算法可靠穩定，陀螺儀和電機驅動正常工作。舵機是保持攝像頭轉動尋找目標和鎖定目標的機構，舵機能根據下層芯片指令準確完成攝像頭和云臺的轉動，確保了攝像頭能及時采集和鎖定目標。由于手套具有紅外功能，因此為了避免造成程序沖突和混亂，避障模塊選用超聲波模塊來獲取平衡小車與周邊障礙物的距離信息，實現平衡小車的避障功能。WIFI 模塊能正常聯網查詢各種信息。測試中以查詢天氣為例，語音識別查詢天氣指令后，WIFI 模塊能準確查詢相關地域的天氣信息。

5 結論

通過對基于STM32 的智能交互式平衡小車的應用研究，文中從設計的目標、思路、方法、硬件架構、軟件設計以及PID 算法等方面驗證了智能交互式平衡小車達到設計的參數要求。該設計采用了兩輪式的結構，與傳統的四輪結構式小車相比，具有體積小、轉向靈活、自主平衡調整、自動避障等功能，語音交互功能可使用戶更方便快捷地操作使用。平衡小車未來在消防勘察、無人巡查、自動跟隨購物車和行李箱領域具有較為廣泛的應用前景。