人工智能小車底盤控制系統設計

上海電子工業學校 張 帆

人工智能小車底盤控制系統是針對人工智能教學硬件的小車類底盤所開發的獨立控制系統。該系統使用STM32F3芯片高性能MCU，在Keil5和STM32CubeMX開發環境，集成了四路步進電機的驅動控制算法，小車車輪（麥克納姆輪）的行駛向量換算，三路車燈控制，由串口驅動的紅外激光測距傳感器（TOF），并提供了一路IIC通訊擴展接口。人工智能小車底盤控制系統成本低，響應快，運行穩定，可靠性高。

1 STM32 MCU和開發工具介紹

系統采用STM32F303系列MCU，芯片外型如圖1所示，工作電壓為2.0--3.6V，使用ARM Cortex-M4內核（DSP、FPU），運行于72MHz。其具有，存儲容量范圍512K字節；4個可編程增益的運算放大器；7個快速和超快速比較器；144MHz的快速電機控制定時器等優點。

圖1 STM32F303系列MCU

開發環境采用Keil5和STM32CubeMX，STM32CubeMX其作為一個可視化的配置工具如下圖2、3所示，通過一個循序漸進的過程，可以非常輕松地配置STM32微控制器和微處理器。對于開發者來說，確實大大節省了開發時間。ST正在逐漸停止對標準外設庫的更新，主推HAL庫。STM32CubeMX就是以HAL庫為基礎，（HAL全稱Hardware Abstract Layer，意為硬件抽象層），HAL庫是STM32開發生態中極為重要的組成部分，不過它不單獨提供，而是以STM32CubeMX拓展包的形式提供。

圖2 STM32CubeMX

拓展包中除HAL庫之外，也有Fatfs、FreeRTOS、STemWin等組件，可以在STM32CubeMX中選擇性的使用。與標準外設庫相比，HAL庫封裝得顯得更加緊湊，并且源代碼通過對外設的對象化，使“層”的特點非常明顯，大部分外設也都通過句柄操作，極難見到寄存器的影子。

2 人工智能小車底盤功能

人工智能小車底盤功能分別有電源管理模塊、IIC擴展接口、步進電機驅動、麥克納姆輪算法、測距傳感器五個模塊組成。結構如圖4所示。

圖4 人工智能小車底盤功能

（1）電源管理：系統提供一個心跳維持機制，用來配合IP5306電源模塊進行多路供電管理；關機時停止心跳，待超時（30s）后電源模塊自動停止輸出；開機后恢復心跳，即啟動電源模塊；心跳的發送間隔為2s，低電平有效。

（2）IIC擴展接口：系統提供一個基于IIC通訊總線協議的擴展接口，以從機模式運行，實時監聽接口命令；該接口可與其它IIC從機設備共享總線，最多可達255個。

（3）步進電機驅動：系統集成了四路高性能步進電機驅動程序，具備動態細分的PWM驅動能力，可實現低速靜音模式與高速大扭矩的實時無縫切換；默認的驅動頻率范圍為108至900Hz，對應1:25減速步進電機的轉速為12.96至108RPM，調速步進為8RPM；四路驅動可單獨控制啟停、調速及剎車等。

圖3 STM32CubeMX操作界面

（4）麥克納姆輪算法：針對四輪小車的行駛動作，通過內置的轉換算法提供了簡單可靠的控制方式，只需要定義橫移X、豎移Y、自轉A三個參數即可將對應轉換后的驅動信號輸出至四路步進電機；基礎的算法原理如下（不包含數值校驗及格式化等）：

當X>0時則小車向左橫移，反之當X<0時則小車向右橫移；

當Y>0時則小車向前行駛，反之當Y<0時則小車向后行駛；

當A>0時則小車向左自轉，反之當A<0時則小車向右自轉。

（5）測距傳感器：系統支持一路飛行時間（TOF）測距傳感器通過異步串口協議進行數據通訊，提供10Hz刷新速率的準實時測距數據反饋，可用于安全駕駛等教學場景的應用。

3 系統初始化流程

開機后系統進入初始化流程，首先執行系統時鐘的配置，然后依次初始化GPIO、IIC1、定時器1、定時器2、USART1，流程如圖5所示，默認時鐘配置的單片機主頻為72MHz，兩路定時器為步進電機驅動提供基準時序以及電源管理芯片的心跳維持機制。

圖5 系統初始化流程

4 步進電機驅動

動態細分步進驅動部分由一個72KHz的全局定時器提供時序基準，由數個計數器來實現GPIO的PWM信號輸出；動態細分機制則是通過一個包含多組正弦、余弦數據表的數組，由當前轉速來決定使用哪一組數據表的基本原理來實現；當轉速越低時，驅動波形越接近正弦波，可有效的降低電機的噪聲與抖動；當轉速越高時，驅動波形越接近方波，使得平均驅動電流上升，可提供相對較大的扭矩力；此外因為步進電機的驅動原理，當阻力較大時會出現丟步打滑，利用這個特性可有效的防止在教學過程中出現學生手指卡住導致受傷等的安全隱患。

當系統進入定時器中斷后，依次判斷四路電機當前的各計數器狀態，轉速大于0或者小于0時按細分表來設置對應GPIO的電平高或低，反之則停止電機驅動信號的輸出即停止轉動。

當電機轉速發生變更時，系統將進行平滑過渡，在每個定時器中斷周期進行最大12Hz的幅度更新，待多個周期后到達目標轉速；此機制可有效避免轉速變更較大時的驅動電流瞬間激增以及電機出現振動影響整車的平衡。

5 測距傳感器

系統通過異步串口（USART）接口協議進行測距傳感器的數據通訊，默認支持紅外激光型測距傳感器，測距范圍為0至200cm，接口波特率為9600，刷新頻率為10Hz；每次讀取數據后緩存至內存變量中待后續使用，即實現了無等待響應的效果。

6 車燈及狀態燈

系統可控制四路指示燈，分別為三路車燈與一路狀態燈；其中車燈分別為左前燈、右前燈、剎車燈，可在教學場景中模擬實際車輛轉向倒車等場景；狀態燈用來表示當前小車的啟動或熄火狀態。

7 IIC接口流程

IIC接口用于擴展對接其它設備如主控板或者各種外部傳感器等，接口運行在從機模式下，使用標準的100KHz收發速率，可與其它從機設備共享總線；當系統初始化流程結束后，則進入IIC接口命令的監聽循環中，當收到命令后則執行指定的操作或返回對應的數據，詳細的命令數據格式，請參照第八節。IIC接口流程如圖6所示。

圖6 IIC接口流程圖

8 IIC控制命令

8.1 接口協議

8.2 發動與熄火

（1）小車發動命令（如表1所示）指令：EN

表1 小車發動命令表

參數：無

（2）小車熄火命令（如表2所示）

表2 小車熄火命令表

指令：OF

參數：無

8.3 車燈控制

（1）打開車燈命令（如表3所示）

表3 打開車燈命令表

指令：LT

在作物苗期,壯苗指數被廣泛應用于衡量幼苗生長狀況,用來反映幼苗質量的高低,壯苗指數越大,苗越健壯[8],地下部鮮重是衡量根系生物量累積的重要指標[9]。由表3可見,晝溫30℃時,隨夜溫的降低地下部鮮重增加,夜溫25、20℃處理的甜瓜幼苗地下部鮮重較夜溫30℃處理分別提高5.0%和70%。夜溫為15℃時,25/15℃溫度處理的甜瓜幼苗地下部鮮重最大,為0.54 g,比其他2個處理分別高出35%、64%。壯苗指數呈相同的趨勢,25/15℃溫度處理下壯苗指數最大,為0.88。

參數：第一個字節的數值表示車燈類型，1表示左前燈、2表示右前燈、3表示剎車燈。

（2）關閉車燈命令（如表4所示）

表4 關閉車燈命令表

指令：LF

參數：第一個字節的數值表示車燈類型，1表示左前燈、2表示右前燈、3表示剎車燈。

8.4 行駛控制

（1）小車行駛命令（如表5所示）

表5 小車行駛命令表

指令：CS

參數：第一個字節的數值表示橫移的方向，1表示左移、0表示右移；第二個字節的數值表示橫移的速率，范圍為0-100；第三個字節的數值表示前進或后退，1表示前進、0表示后退；第四個字節的數值表示前進或后退的速率，范圍為0-100；第五個字節的數值表示自轉的方向，1表示左轉、0表示右轉；第六個字節的數值表示自傳的速率，范圍為0-100。

8.5 高級行駛控制

（1）車輪控制命令（如表6所示）

表6 車輪控制命令表

指令：MS

（2）剎車控制命令（如表7所示）

表7 剎車控制命令表

指令：MB

參數：第一個字節的數值表示右前輪是否剎車，1表示剎車；第二個字節的數值表示左前輪是否剎車，1表示剎車；第三個字節的數值表示左后輪是否剎車，1表示剎車；第四個字節的數值表示右后輪是否剎車，1表示剎車。

8.6 測距傳感器

（1）獲取測距數值命令（如表8所示）

表8 獲取測距數值命令表

指令：SG

參數：無

返回：整型值，表示當前測距數值。

8.7 行駛信息

（1）獲取當前車輪速率命令（如表9所示）

表9 獲取當前車輪速率命令表

指令：VG

參數：第一個參數的數值表示車輪類型，1表示右前輪、2表示左前輪、3表示左后輪、4表示右后輪。

返回：第一個參數表示轉動方向，1表示正轉、0表示反轉；第二個參數表示轉動速率，范圍為0-100。

結束語：本文通過STM32F303系列MCU作為主控器，整體構建了人工智能小車底盤控制系統。系統內置了針對步進電機的高性能動態細分驅動算法，步進電機來驅動步進電機從而帶動麥克納姆輪小車進行平面內的全向移動，并對算法優化實現低速下的細分驅動以及高速時的方波驅動，進行無縫切換，以同時實現低速低噪聲與高速大扭矩的效果，同時，通過獨立的IIC通訊控制接口，實現高速實時響應主控系統的下發命令并執行，大大的提高了底盤控制系統的性能。