基于ARM的小型交通指揮機器人系統設計

王弘毅，劉哲，盛文君，牟祖坤，賈淇惠，劉昌景

（菏澤職業學院，山東菏澤，274000）

0 引言

進入21世紀以來，機器人自動控制技術得到廣泛應用，工業機器人水平已逐漸成為衡量一個國家自動化程度的關鍵性能指之一。隨著工業技術的發展，機器人的應用領域已經不單局限于工業用途，而向更廣闊的領域逐步擴展，例如交通、醫學、家庭、酒店服務等領域。

隨著國家的發展，我國汽車保有量逐年增高，隨之而來的是交通擁堵日益嚴重，出行時間增多，交通事故頻發。汽車保有量的增高使人們對交通暢通的需求也有著更高的要求。由于交警需要在酷暑、寒冬、雨雪、霧霾天氣下工作，工作環境非常惡劣，且工作勞動強度較大。基于以上原因，本文設計了一個小型的基于ARM的智能交通指揮機器人系統。

本系統具有以下特點：

（1）采用智能控制技術，該技術可以有效的使交通燈系統與機器人進行配合使用，保證交通指揮的有效進行，又不受限于紅綠燈，同時在交通燈系統發生故障時進行交通指揮，保證交通順暢。

（2）智能交通機器人底部采用旋轉設計，實現交通指揮的全面性，使其能夠平穩的進行交通指揮的工作，并且手臂擁有6個自由度，能夠完成多種交通動作的指揮。

（3）采用基于光電傳感器的量車流量檢測系統，實時監測車流量，當各個方向車輛差距較大時設計讓等待時間增長，即讓車輛多的一邊多通行一會，從而減少交通堵塞。

1 系統整體設計方案

該智能交通機器人系統具體組成部分如圖1所示，該系統由四部分組成，第一部分是整體平臺，負責承載機器人、模擬車輛，第二部分是機器人本體，第三部分是模擬車輛，第四部分是控制系統。

圖1 智能交通機器人系統結構

整體平臺負責承載機器人與模擬車輛、數碼管、LED燈這幾個部分；機器人本體負責實現各種交通指揮動作，以指揮模擬車輛的行駛；模擬車輛負責接收來自控制系統的數據，進而執行不同的動作；控制系統采用ARM架構的STM芯片，用來控制機器人實現不同的指揮動作，并同時控制LED與數碼管的顯示數據和無線傳輸數據等。

工作時，主控芯片負責控制外部的LED燈與數碼管模塊顯示，同時控制無線通訊模塊發送數據，小車對接收來的數據進行判斷后執行動作，小車沿規劃的賽道運動，到達目的地后小車自動停止運動。

主控部分通過STM32F103ZET6、光電傳感器、NRF2401、LED、數碼管模塊等組合實現通訊與機器人控制，該部分能夠控制LED的亮滅進而與模擬車輛進行通訊，控制機器人執行不同的動作、根據光電傳感器反饋的信號改變通行時間。小車采用亞克力車模制作，包含STM32F103RBT6、NRF2401、L298N、光電傳感器、支架（3D打印），可實現機器人的各種轉動控制與供電。

2 機器人本體

機器人本體由機器人控制單元、電源單元、機械單元、無線傳輸單元四部分組成，機器人控制單元的作用為控制機器人執行不同的交通指揮動作；電源單元負責為機器人和ARM芯片提供電能；機械單元負責把機器人各個部件連接到一起，并使得機器人能夠正常運轉；無線傳輸單元負責無線傳輸數據，即把主控發出的信息發給模擬車輛，使得模擬車輛根據接收到的數據完成不同的指令動作。

■2.1 機器人總體機械結構

圖3 機器人手

機器人包含舵機、支架、舵盤、電池、舵機控制板。為了讓機器人更加形象，制作了頭部、手臂、軀干、腿部幾個部分，機器人三維模型如圖2所示。為了更好的模擬交警指揮動作并減少機加工成本，機器人的手部采用了3D打印的爪子，如圖3所示。機器人的整體結構采用了大U、短U和舵機進行連接，底部為了使受力更加均勻，交通機器人底部利用推力圓柱滾子軸承采用了旋轉設計。

圖2 交通指揮機器人三維模型

機器人擁有10個自由度，分別為手臂6個自由度和腿部4個自由度，能夠完成停止、直行、右轉彎、左轉彎、變道等動作。可因不同的指令做出相應的動作。

■2.2 機器人控制模塊

機器人的控制模塊采用了ARM架構的STM32F103 ZET6芯片，通過ZET6的串口與外部的舵機控制板進行通訊，從而控制機器人執行各種不同的動作。STM32F103 ZET6是一種嵌入式-微控制器的集成電路。該芯片性能強悍，接口多且易于調試，較符合該項目的需求，該芯片原理如圖4所示。

圖4 STM32F103ZET6芯片原理圖

STM32F103ZET6同時控制LED燈與數碼管模塊的閃爍與數據顯示，當機器人執行完指揮動作以后，根據執行的動作，相應通行方向的LED變為綠色或者紅色，同時數碼管顯示出通行的時間，此時程序把NRF2401設置為發送模式，把數據發送給接收端的NRF2401，從而可控制智能小車執行不同的動作。

■2.3 無線傳輸模塊

NRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、玩具等。其原理如圖5所示。

圖5 NRF2401原理圖

本系統采取點對點的數據傳輸，當接收到數據后，通過函數處理執行不同的動作。機器人完成不同的指揮動作之后，把機器人上的NRF2401設置為發送模式，把模擬車輛上的NRF2401設置為接收模式，接收端不斷地去判斷收到的數據進行比較后執行不同命令。

祖國醫學認為:糖尿病性骨質疏松癥的發病之本是肝腎虧虛。腎乃人體先天之本,腎虛則固攝無權,精微不藏走瀉,津液虧乏火熾,發為消渴癥;腎虛貫穿于糖尿病的各個階段[2]。腎虛則骨髓生化乏源,精血不足,筋骨失養,筋腱無力。肝血不足則筋失濡養;肝氣郁結則脈絡閉阻,筋失濡養,久則傷骨。肝腎兩臟器的聯系極為緊密,腎精虧虛致肝血不足,肝血不足致腎精虧虛,二者互為因果,因此對于糖尿病性骨質疏松癥的治療,肝腎同治術后基本原則。

3 模擬車輛部分

模擬車輛分為為五個模塊，分別是控制系統，電源系統，無線傳輸系統，電機驅動系統和循跡系統。為了滿足車輛體積小、功耗低的要求，本系統采用了三輪式模擬車輛，前輪為萬向輪，這樣只需要控制后兩輪的轉向即可控制整個小車的行動方向。當模擬車輛上的無線發送模塊設置為接收模式時，就可以等待發送來的指令，收到指令后驅動電機即可被控制。

■3.1 控制系統

模擬車輛控制系統在驅動電機行駛的同時也負責接收來自于機器人端NRF2401發送的數據，同時還需接收光電傳感器反饋回來的信號，用于在平臺上進行循跡運動，為了實現以上功能，并盡可能壓低成本，本系統同樣采取了ARM架構的STM32RBT6，它有64個引腳，SPI與PWM（脈沖寬度調制）輸出，并且具有計算能力強，主頻高等優點，并且支持3.3V供電與低功耗模式。

■3.2 無線傳輸系統

模擬車輛部分的無線傳輸模塊設置為接收模式，在沒有數據的時候一直等待發送端的數據，當接收到發送端發送的數據后，把數據傳輸給模擬車輛的控制部分進行運算，然后車輛根據接收到的數據進行判斷，如果與發送端的數據一致，車輛則進入運動模式。

■3.3 電機驅動系統

電機驅動系統通過主控的兩個GPIO引腳實現控制功能，并把主控的PWM輸出引腳接至電機驅動模塊的占空比調節引腳上，從而控制電機動作。并且本系統應用了差分運動算法，即令芯片的PWM1引腳產生的占空比為50%，PWM2產生的的占空比為54%，這樣消除了因電機本身制作產生的的誤差，克服了兩電機轉速不一致的影響。

L298N是一種電機驅動芯片，結構如圖6所示。它可同時控制兩個直流減速電機做不同動作，并具有過熱自斷和反饋檢測功能。L298N可對電機進行直接控制，通過主控芯片的I/O輸入對其控制電平設定，為電機進行正轉反轉驅動，操作簡單、穩定性好，可以滿足直流電機的大電流驅動條件。

圖6 L298N模塊結構

本系統使用L298N實現對小車電機的正轉、反轉和停止的控制，將芯片的輸出引腳1、2接到左側電機，將輸出3、4引腳接到右側電機，并且把PWM輸出接到A相使能端口，把另外一路PWM接到B相使能端口。初始化引腳后，讓PWM引腳輸出波形給兩個使能引腳，當接收到端口1拉高，端口2拉低的數據時將會產生前進信號，控制電機正轉。電機正轉、反轉和停止的控制真值表如表1所示。

表1 小車電機程序控制真值表

在行駛的過程中，讓兩側的光電檢測軌跡線，防止小車沖出指定的賽道。當檢測出到達平臺邊緣時，就讓小車停前進，電機停止轉動。

■3.4 循跡系統

循跡系統通過光電傳感器檢測平臺上的軌跡，然后把檢測的信息發送給RBT6，然后通過RBT6輸出PWM控制模擬車輛沿著軌跡進行運動。

4 車流量計算

光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種器件。本系統采用了紅外漫反射型光電傳感器，其檢測距離可以調節，當檢測到物體的信號時，引腳會產生高電平，反之則產生低電平。其原理如圖7所示。

圖7 光電傳感器原理圖

光電傳感器在本系統中用于車流量計算，本系統在東西南北四個方向共加入了4個光電傳感器。首先將引腳設置為外部中斷模式，觸發方式是上升沿檢測，然后使能中斷，當檢測到車輛時，光電傳感器的數據引腳會返回一個高電平，即“1”，然后觸發中斷，進入中斷處理函數。先確定是否真的發生中斷，然后讓程序中的內部變量增加，這里的內部變量代表了實際中車的數量，當檢測到車輛的時候會觸發中斷，中斷函數中的變量增加。接下來清除中斷標志位，然后對比東西和南北兩個走向的車流量，當各個方向車的數量相差不大的時候，程序設置讓通行時間不變，當各個方向車輛差距較大時設計讓等待時間增長，即讓車輛多的一邊多通行一會，從而減少交通堵塞。

5 實物圖

本系統的實物圖見圖8~10，目前可實現模擬車輛的停止、直行、右轉彎、左轉彎、變道等動作。通過實物測試，該系統可靠性較高。

圖8 指揮機器人實物圖

圖9 車輛實物圖

6 結語

本文設計并實現了一種小型的基于ARM的架構的智能交通指揮機器人系統。該系統擬在無人管理狀態下，利用智能交通機器人通過對車流量的計算來進行擁堵優先級判斷，選擇合適的處理方法，使道路更加的暢通。

圖10 整體平臺圖