周桔蓉，孫旭日

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007）

基于ARM Cortex－M3處理器搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)

周桔蓉，孫旭日

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007）

以ARM Cortex－M3單片機(jī)為搜救機(jī)器人的控制器，以N溝MOSFET來設(shè)計(jì)可控制大電流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動器，全面提高了搜救機(jī)器人的性能。

STM32單片機(jī)；搜救機(jī)器人

目前市場的搜救機(jī)器人種類繁多，主要存在以下的不足。（1）處理器底層程序代碼沒有公開，用戶只能按用戶模式編程，不能進(jìn)行深入的編程與開發(fā)。而且處理器價(jià)格比較昂貴；（2）搜救機(jī)器人運(yùn)動電機(jī)發(fā)熱過大，影響搜救。本文基于ARM Cortex－M3處理器搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

1 搜救機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

人對周圍環(huán)境的反應(yīng)過程主要是感覺→大腦思考→作出反映，搜救機(jī)器人的信息處理流程也是如此。搜救機(jī)器人配有十幾個傳感器，另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展其他傳感器，對環(huán)境的感知能力很強(qiáng)。微控制器采用的是STM32微處理器，芯片時(shí)鐘72MHZ。機(jī)器人的執(zhí)行器有：二只高性能直流電機(jī)；一只喇叭；一只FPTC觸摸屏的液晶顯示器?？傮w設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 搜救機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

2 搜救機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的選擇

傳統(tǒng)的控制器的多數(shù)采用的是STR911FAM44微處理器為核心的控制器。該控制器有以下缺點(diǎn)：⑴該處理器底層程序代碼沒有公開，用戶只能按用戶模式編程，不能進(jìn)行深入的編程與開發(fā)；⑵該處理器價(jià)格比較昂貴。而STM32單片機(jī)剛好解決了以上問題。STM32單片機(jī)是一款底層函數(shù)公開、性價(jià)比很高的控制器。CortexM3是一個32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實(shí)現(xiàn)這個特性，CM3內(nèi)部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應(yīng)用場合優(yōu)化過，并且它們可以并行工作。

2.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是搜救機(jī)器人的關(guān)鍵部位，良好電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不僅使機(jī)器人越過障礙物而且發(fā)熱量小。傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用L293或L298等全橋芯片來控制直流電機(jī)，雖然簡便而且成本低廉，但由于它們的內(nèi)阻較大，在控制大電流的馬達(dá)時(shí)芯片常常過熱，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體效率較低。在機(jī)器人上，馬達(dá)控制芯片的內(nèi)阻過大會導(dǎo)致車子的加速度變小，經(jīng)常在搜救現(xiàn)場搜救速度慢。

結(jié)合搜救現(xiàn)場的實(shí)際情況，對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)我們進(jìn)行了很大的改進(jìn)。經(jīng)過試驗(yàn)和論證，最后采用N溝MOSFET來設(shè)計(jì)可控制大電流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動器。原理如圖2所以。

此方案以及高性能鋰聚合物電池的幫助下可以毫無壓力地驅(qū)動4個380減速電機(jī)，通過控制器產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM來控制電機(jī)驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)速度大小和轉(zhuǎn)動方向均可調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動控制。經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)小車在全速啟動以及突然反向運(yùn)動時(shí)的性能明顯比使用L298要好。對于散熱問題，決定采用貼片的D2PAK封裝的IRF540，其他元件也都改為貼片封狀。在芯片的上面設(shè)計(jì)了散熱器和風(fēng)扇。降低MOS溫度可以大大提高工作效率。傳統(tǒng)的TO－220封裝的MOS管直立加上散熱器很占空間。

圖2 IR2104＋I(xiàn)RF540全橋電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

2.3 傳感器的設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)內(nèi)部自帶有8路12位ADC高精度轉(zhuǎn)換器，可以連接機(jī)器人的傳感器，減少外圍電路的設(shè)計(jì)。

機(jī)器人是通過傳感器來對外部信號的識別。就相當(dāng)人的眼睛和耳朵，機(jī)器人需要不斷采集環(huán)境信息然后經(jīng)濾波處理然后經(jīng)控制器邏輯運(yùn)算繼而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場搜救。

2.3.1 雷達(dá)

機(jī)器人在搜救過程中最怕就是碰壁，從而造成損壞機(jī)器。傳統(tǒng)搜救機(jī)器人避障是采用PSD傳感器，一般是裝3－6個PSD傳感器對對障礙物的判斷。但是總是存在盲區(qū)，在盲區(qū)內(nèi)你根本無法避障，容易損壞機(jī)器人。針對以上的缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了“雷達(dá)”傳感器，360度布設(shè)光電傳感器，不斷循環(huán)掃描，讀取離目標(biāo)最近的光電傳感器，最短時(shí)間和最精確的判斷障礙物的方向和距離。通過實(shí)驗(yàn)解決了機(jī)器人碰壁的過程。

圖3 “雷達(dá)”傳感器

2.3.2 紅外攝像頭

攝像頭有成電腦相機(jī)，電腦眼等，是一種視頻輸入設(shè)備。機(jī)器人上裝有此設(shè)備，可通過傳輸?shù)酵饨缡谷丝梢杂眠b控進(jìn)行控制。而且，紅外攝像頭可以實(shí)現(xiàn)夜視。

2.3.3 話筒

機(jī)器人話筒的功能很強(qiáng)，它可以感受到聲音的強(qiáng)弱。我們的耳朵并不是所有聲音都可以聽見的，機(jī)器人的“耳朵”也是這樣，它能聽見的聲音頻率范圍跟人能聽到的范圍大致是一樣的，大約是16Hz～20000Hz的機(jī)械波。

3 軟件編程

本設(shè)計(jì)采用μC／OS－II操作系統(tǒng)。μC／OS－II僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理、任務(wù)間的通信和同步等基本功能。采用模糊控制算法，將地面檢測到的反饋信號與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)顏色AD值比較，求出偏離AD值的偏差信號與偏差信號的變化率，并將其作為模糊控制器的輸入，將偏差信號按照分檔法分為七檔，再通過查詢由分檔法和模糊推理合成算法得到的控制作用表來獲得模糊控制器的輸出，從而進(jìn)一步設(shè)定轉(zhuǎn)速值。

4 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了搜救機(jī)器人控制器硬件的設(shè)計(jì)，成功地在STM32上嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS－II。我們根據(jù)以上設(shè)計(jì)和制作，對各個動作進(jìn)行分解、編寫程序，完全依據(jù)規(guī)則的評分細(xì)則設(shè)計(jì)，同時(shí)通過自行設(shè)計(jì)應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境，比較全面地完成了規(guī)定的任務(wù)。

Design of Rescuing Robot Based on ARM Cortex－M3 Processor

Zhou Jurong，Sun Xuri
（Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang，Jiangxi，332007）

The paper introduces the rescuing robot with the ARM Cortex－M3 as its controller，and with the electric driver that is composed with MOSFET which can control the large current.

STM32 single－chip computer；rescuing robot

TP242

B

1009－9522（2014）01－0022－02

2013－08－29

周桔蓉：女，工程碩士，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院教師。