孫猛猛 楊明輝 張玉炳 萬林

【摘要】 傳統(tǒng)的雙碼盤和陀螺儀定位系統(tǒng)由于受到地面環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致其定位精度不高。本文提出了一種基于STM32F407ZGT6的輪式機(jī)器人定位控制位系統(tǒng)的設(shè)計方案，在傳統(tǒng)的雙碼盤和陀螺儀的定位系統(tǒng)中加入了激光雷達(dá)和DT50激光測距儀作為輔助定位手段。采用STM32F407ZGT6作為本控制系統(tǒng)的核心處理器，并且給出了相關(guān)部分的硬件設(shè)計和系統(tǒng)總體的軟件架構(gòu)。從測試結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)完成了輪式機(jī)器人的定位，完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】 輪式機(jī)器人 STM32F407ZGT6 定位系統(tǒng) 激光雷達(dá) 激光測距儀

一、概述

輪式機(jī)器人在應(yīng)用普及的過程中，由于地面環(huán)境的復(fù)雜性、運(yùn)動路徑不固定等問題使得輪式機(jī)器人的定位成為其應(yīng)用普及的關(guān)鍵性問題。

針對該問題，本文提出了一種基于STM32F407的定位控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案綜合了嵌入式控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及通訊技術(shù)，檢測與控制輪式機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人的定位功能。

二、定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在改定位系統(tǒng)中，主控器通過PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制電機(jī)驅(qū)動模塊，通過定位板模塊給出機(jī)器人確定的出發(fā)位置，通過輔助定位模塊對機(jī)器人的位置進(jìn)行必要的坐標(biāo)糾正。在機(jī)器人運(yùn)行的過程中通過無線通訊模塊將機(jī)器人實(shí)時的位置坐標(biāo)傳到上位機(jī)，用戶可通過上位機(jī)操作界面對機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時的操作與監(jiān)測。

整個硬件框圖由調(diào)試器下載口、電機(jī)驅(qū)動部分、電源部分、晶振部分、主控板、定位板模塊、主控板、輔助定位板模塊1和輔助定位板模塊2組成。

三、關(guān)鍵部分硬件電路設(shè)計

3.1關(guān)鍵電子元器件選型

主控板芯片選型：要滿足多路PWM輸出口、I/O中斷口、多種通訊功能包括CAN通信和串口通信，因此選用ST公司的STM32F407ZGT6。定位板模塊芯片選型：要滿足多路脈沖信號輸入、I/O口、多種通訊功能包括CAN通信和SPI通信，因此選用ST公司的STM32F405RGT6。

輔助定位模塊1、2控制器選型：輔助定位與主控是CAN總線組網(wǎng)通訊，控制器芯片選用STM32F103R8T6，既滿足實(shí)用性又滿足經(jīng)濟(jì)性。

四、定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1主控板程序流程

主控板通過CAN通信協(xié)議與定位板、輔助定位板1、輔助定位板2進(jìn)行通信，主控每隔5ms收到定位板的坐標(biāo)值，然后根據(jù)需要啟動激光雷達(dá)或者DT50。激光雷達(dá)或DT50根據(jù)當(dāng)前定位板的坐標(biāo)解算出糾正后的坐標(biāo)，然后直接進(jìn)行坐標(biāo)替換。

4.2定位板程序流程

定位板通過定時器采集碼盤的脈沖信號和Spi通信協(xié)議讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，然后計算出當(dāng)前位置坐標(biāo)。定位板分別通過串口Usart和Can協(xié)議將當(dāng)前坐標(biāo)值發(fā)送給上位機(jī)和主控板。

4.3輔助定位板1（激光雷達(dá)）和輔助定位板2（DT50）的程序流程

主控板根據(jù)需要（由上位機(jī)決定）啟動激光雷達(dá)或激光測距儀（DT50）進(jìn)行輔助定位，激光雷達(dá)或DT50收到指令后根據(jù)車子當(dāng)前坐標(biāo)和測出障礙物的距離來計算正確位置坐標(biāo)，然后將坐標(biāo)發(fā)送給定位板進(jìn)行數(shù)據(jù)替換。

五、實(shí)驗(yàn)測試

讓機(jī)器人從測試場地任意位置出發(fā)，分別設(shè)定機(jī)器人應(yīng)到位置坐標(biāo)，然后實(shí)測機(jī)器人的實(shí)際坐標(biāo)，然后比較兩者的差異，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1測試數(shù)據(jù)表明該定位系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到很高的定位精度，完成了機(jī)器人的定位功能。

六、結(jié)語

該輪式機(jī)器人定位系統(tǒng)可以很好地滿足機(jī)器人的定位精度，不再受限于地面環(huán)境因素的影響，對于機(jī)器人的普及應(yīng)用起到很重要的作用。