徐明娜，張 峰，寇志偉

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，呼和浩特 010051；2.二連浩特出入境檢驗檢疫局 技術(shù)中心，二連浩特 011100）

0 引言

機器人控制技術(shù)涉及了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、人工智能、材料科學(xué)和仿生學(xué)等多類學(xué)科[1,2]。

目前，國外教學(xué)機器人大多與工業(yè)相結(jié)合，其具備了工業(yè)機器人類型繁多、控制精度高的特點，但是這類教學(xué)機器人大多以軟件編程為主且價格昂貴，用戶對其控制方面的開發(fā)受到很大程度上的限制。

國內(nèi)的機器人控制，主要采用單片機、嵌入式工業(yè)控制模塊、數(shù)字信號處理器等。其中采用比較廣泛的是單片機，其具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好、開發(fā)周期短等特點，比起后兩者更適用。單片機種類繁多，MCS51、AVR、STM等均應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的8位或者16位單片機, 存在硬件資源有限、運算和處理速度慢的問題。高速DSP的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化,但其開發(fā)套件成本高。32位ARM微處理器的出現(xiàn),較好地解決了這些矛盾[3,4]。國內(nèi)有不少高校和企業(yè)已經(jīng)研制出了較為成熟的教學(xué)機器人，這些教學(xué)機器人都有其各自特點，但仍有不少方面有待進(jìn)一步開發(fā)，特別是作為教學(xué)機器人核心的控制器方面[5]。

為了滿足我校機器人教學(xué)方面的需要，本文設(shè)計了基于STM32的教學(xué)手動機器人控制系統(tǒng)。

1 教學(xué)手動機器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計

利用基于ARM的32位微處理器為核心控制器設(shè)計一款應(yīng)用于教學(xué)的手動機器人，主要任務(wù)是能夠完成自主抓取和移動。機器人應(yīng)該具備以下功能：

1）能夠正確判斷所處的方位；

2）能用機械手正確抓取和放置物體；

3）能夠在行走過程中完成前進(jìn)、后退、向左向右轉(zhuǎn)向等移動。

教學(xué)手動機器人由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中控制系統(tǒng)包括了傳感器檢測及電機和驅(qū)動的控制。

控制系統(tǒng)采用紅外測距傳感器、陀螺儀等組成檢測和定位裝置，用來檢測周圍環(huán)境以提供準(zhǔn)確的方位、速度等信號，實現(xiàn)機器人的定位行走和自動避障功能。基于STM32，完成了系統(tǒng)電源及復(fù)位電路、串口通信、JTAG接口、電機驅(qū)動等電路的設(shè)計及硬件系統(tǒng)的調(diào)試，并編寫了相應(yīng)的軟件程序[6]。

其系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

教學(xué)手動機器人控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括系統(tǒng)STM32-MCU、供電電源、系統(tǒng)復(fù)位、JTAG接口、USB串口、電機驅(qū)動等內(nèi)容。

2.1 微處理器STM32

為實現(xiàn)教學(xué)手動機器人快速、準(zhǔn)確的完成規(guī)定任務(wù)，核心處理器必須具有同時讀取多通路輸入信號，并且能在短時間內(nèi)快速運算能力。因此，控制系統(tǒng)處理器選用基于ARM的32位微處理器STM32，型號為STM32F103RBT6，即基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型微處理器。

STM32F103RBT6增強型處理器采用LQFP封裝，有64個引腳，具有高性能、低成本、低功耗、運算速度快、價格便宜等特點[7]。內(nèi)部有128K字節(jié)的flash存儲器，用于存放程序、數(shù)據(jù)等信息。內(nèi)部有2個12位的ADC轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器有16個外部通道，能夠進(jìn)行多循環(huán)掃描，電路圖如圖2所示。

圖2 STM32微處理器

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

為了滿足教學(xué)手動機器人移動的要求，通過綜合考慮各種電池的優(yōu)缺點及整個機器人控制系統(tǒng)的供電需求，包括電機、傳感器、驅(qū)動器、控制器等。結(jié)合電池的性能、電流等多方面因素，本文選用24V，10A的鋰電池作為供電源。其具有能量密度大、質(zhì)量輕、沒有記憶效應(yīng)，可以隨充隨用的特點。

教學(xué)手動機器人供電電源為24V直流電，通過三端穩(wěn)壓器78L05單元電路，將電壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)到+5V。78L05單元電路，能改善阻抗，提供低靜態(tài)電流。

STM32芯片的工作電壓為3.3V。+5V電壓通過三端穩(wěn)壓芯片正向低壓穩(wěn)壓器AMS1117-3.3，將電壓轉(zhuǎn)換成+3.3V。當(dāng)主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘(RTC)和備份寄存器提供電源，如圖3所示。

圖3 電源電路

2.3 系統(tǒng)復(fù)位電路設(shè)計

復(fù)位電路用來使系統(tǒng)電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。其原理是通過電阻給電容充電，使得電容的電壓緩慢上升直到VCC-3.3V。電路如圖4所示，充電未達(dá)到3.3V時，復(fù)位引腳為低電平，芯片復(fù)位；達(dá)到3.3V時，復(fù)位引腳為高電平，芯片復(fù)位停止，完成復(fù)位過程。

圖4 復(fù)位電路

2.4 JTAG接口電路設(shè)計

JTAG(Joint Test Action Group)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議(IEEE 1149.1兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測試[8]。20針的JTAG仿真調(diào)試電路，需要5根信號線，包括：nTRST、TDI、TMS、TCK、TDO[9]，引腳連接如圖5所示。STM32處理器支持JTAG在線仿真調(diào)試，程序下載，同時也支持串口ISP。

圖5 JTAG

2.5 系統(tǒng)串口電路設(shè)計

RS232串口用來接收上位機指令，調(diào)節(jié)各個通道輸出信號的脈寬。RS232是一種全雙工通訊協(xié)議，硬件擴展和協(xié)議應(yīng)用都非常方便[10]?？刂葡到y(tǒng)中，用Prolific公司的PL2303接口轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可調(diào)節(jié)3V～5V 輸出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應(yīng)用需求，其電路如圖6所示。

圖6 USB串口電路

2.6 電機驅(qū)動模塊

為了教學(xué)手動機器人在演示時能自由移動、準(zhǔn)確定位，其底盤選用三個輪子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐。倒Y字形分布，夾角120°，行走過程中前邊的一個萬向輪起支撐和轉(zhuǎn)向的作用，左右兩側(cè)兩個輪子為動力輪。每個輪子由一個單獨的直流電機控制。機器人移動時，通過STM32處理器上的定時器產(chǎn)生數(shù)字脈沖信號，來調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。

直流電機型號：Maxon Motor公司RE40，額定電壓24V，功率150W。教學(xué)手動機器人有3個輪子，因此需要3路PWM信號控制電機轉(zhuǎn)速，每2路I/O控制1個電機正反轉(zhuǎn)?？刂剖褂霉碳靋ompare函數(shù)調(diào)整脈寬占空比，實現(xiàn)電機調(diào)速，電路如圖7所示。

圖7 電機驅(qū)動模塊

2.7 PCB板結(jié)構(gòu)及硬件調(diào)試

系統(tǒng)其他電路還包括模式選擇、碼盤接口、AD采集、PWM輸出、數(shù)字量輸出、PS2手柄接口、LED顯示、IIC接口等，PCB總體電路圖如圖8所示。

圖8 PCB圖

3 系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)

整體程序包括主程序和相應(yīng)的子程序。主程序用來控制機器人執(zhí)行命令：移動到指定位置、抓取物體、放置物體等。子程序設(shè)計包括定時器中斷、串口中斷、編碼器外部中斷等內(nèi)容。根據(jù)設(shè)計要求主程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

底層控制系統(tǒng)完成接收命令和執(zhí)行命令的任務(wù)。內(nèi)容包括機器人的移動控制、抓取及放置控制。此外, 還要設(shè)計異常狀態(tài)的預(yù)防和處理, 以維持機器人的正常運行。指令執(zhí)行步驟如下：

1）機器人通電后，開始復(fù)位自檢，等待下一步。

2）機器人讀取指令后，判斷執(zhí)行相應(yīng)動作。

3）通過程序及外部檢測裝置判斷執(zhí)行結(jié)果, 符合則停止動作，不符合則重復(fù)執(zhí)行上一指令直到結(jié)束。

教學(xué)手動機器人PWM控制程序如下：

void TIM4_IRQHandler()

{

if(TIM4->SR&0x0001);

TIM4->SR&=～(1<<0);

}

//PWM輸出初始化

//arr：自動重裝值

//psc：時鐘預(yù)分頻數(shù)

void PWM_Init(u16 p_arr,u16 p_psc)

{

//此部分需手動修改IO口設(shè)置

RCC->APB2ENR|=1<<0; //復(fù)用

RCC->APB1ENR|=1<<2; //TIM4時鐘使能

RCC->APB2ENR|=1<<3; //使能PORTB時鐘

GPIOB->CRL&=0X00FFFFFF; //PB7 PB6 輸出

GPIOB->CRL|=0XBB000000; //復(fù)用功能輸出

GPIOB->CRH&=0XFFFFFF00; //PB8 PB9 輸出

GPIOB->CRH|=0X000000BB; //復(fù)用功能輸出

GPIOB->ODR|=0X03C0; //PB9 PB8 PB7 PB6 上拉

TIM4->ARR=p_arr; //設(shè)定計數(shù)器自動重裝值

TIM4->PSC=p_psc; //預(yù)分頻器不分頻

TIM4->CCMR1|=6<<4; //CH1 PWM1模式

TIM4->CCMR1|=1<<3; //CH1 預(yù)裝載使能

TIM4->CCMR1|=6<<12; //CH2 PWM1模式

TIM4->CCMR1|=1<<11; //CH2 預(yù)裝載使能

TIM4->CCMR2|=6<<4; //CH3 PWM1模式

TIM4->CCMR2|=1<<3; //CH3 預(yù)裝載使能

TIM4->CCMR2|=6<<12; //CH4 PWM1模式

TIM4->CCMR2|=1<<11; //CH4 預(yù)裝載使能

TIM4->CCER|=3<<0; //OC1 輸出使能

TIM4->CCER|=3<<4; //OC2 輸出使能

TIM4->CCER|=3<<8; //OC3 輸出使能

TIM4->CCER|=3<<12; //OC4 輸出使能

TIM4->CR1=0x0080; //ARPE使能

TIM4->CR1|=0x01; //使能定時器4

// TIM4->DIER|=1<<0; //允許更新中斷

// TIM4->DIER|=1<<6; //允許觸發(fā)中斷

}

4 結(jié)論

使用STM32作為核心處理器，研究適用于教學(xué)的手動機器人控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件構(gòu)建和軟件編程。改善了以往教學(xué)機器人芯片受限制、程序開發(fā)困難、成本高等問題。通過實驗證明，該機器人控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠性高。

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