文/張冬冬

機(jī)器人是集眾多高新領(lǐng)域于一身的高技術(shù)產(chǎn)物，由于技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，發(fā)揮越來越重要的作用。本文采用STM32單片機(jī)作為核心處理器，為姿態(tài)傳感器MPU050、舵機(jī)及超聲波測(cè)距傳感器提供良好的控制平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該款機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)均由舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，按照舵機(jī)所處位置將舵機(jī)分為四組，分別對(duì)應(yīng)機(jī)器人的四肢，便于后期編程和調(diào)試。上位機(jī)通過無線串口向機(jī)器人主控制器發(fā)出指令，主控制器判斷指令后控制對(duì)應(yīng)舵機(jī)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人直行、轉(zhuǎn)彎、后退等一系列動(dòng)作。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，姿態(tài)傳感器MPU6050實(shí)時(shí)收集機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)并反饋到主控制器，主控制器對(duì)反饋回來的數(shù)據(jù)經(jīng)過解算得到機(jī)器人的俯仰角、橫滾角、航向角；根據(jù)三個(gè)姿態(tài)角的大小判明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向和姿態(tài)，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線進(jìn)行修正和姿態(tài)的調(diào)節(jié)；并通過無線串口將信息發(fā)送到上位機(jī)，使操作人員及時(shí)了解運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性；當(dāng)前方有障礙物時(shí)，超聲波傳感器測(cè)出障礙物的距離，當(dāng)距離超過預(yù)設(shè)的安全距離時(shí)，機(jī)器人將執(zhí)行避障程序，繞開障礙物，確保能夠繼續(xù)運(yùn)行。

2 硬件組成及功用

系統(tǒng)的硬件部分主要由動(dòng)力系統(tǒng)，控制模塊，傳感器模塊，通信模塊，電源模塊等組成。具體如下：

2.1 主控制器

控制系統(tǒng)采用STM32F103C8T6芯片核心板作為主控制器。該芯片是一款基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，運(yùn)行頻率高達(dá)72MHZ，工作電壓2V～3.6V，可以輸出多路PWM方波，能夠支持多串口同時(shí)通信，體積小巧，重量輕；能夠較好滿足要求。

2.2 數(shù)字舵機(jī)LD-220MG

數(shù)字舵機(jī)LD-220MG主要由馬達(dá)、控制電路、減速齒輪等組成；相比于傳統(tǒng)舵機(jī)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、線性度好等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)該舵機(jī)扭矩較大，能夠?yàn)殡p足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)提供充足的動(dòng)力。舵機(jī)的控制信號(hào)是脈沖位置調(diào)制(PWM)信號(hào)，周期為20ms，通過改變方波的脈沖寬度，使舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化。

2.3 姿態(tài)傳感器MPU6050

MPU6050整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通過IIC接口，輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)，非常方便的實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算。

2.4 超聲波測(cè)距傳感器

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊測(cè)距范圍2cm-400cm，測(cè)距精度3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。主控制器向模塊發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，模塊內(nèi)部將發(fā)出周期電平且接收器檢測(cè)回波；根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔，可以得出：距離=接收間隔時(shí)間*聲速（340M/S）/2，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

2.5 供電模塊

機(jī)器人供電由一塊7.4V大容量鋰電池提供，但由于主控制芯片，舵機(jī)，傳感器等器件工作電壓不盡相同，所以需要對(duì)鋰電池進(jìn)行降壓。利用MP1584降壓芯片對(duì)鋰電池進(jìn)行降壓然后其他元器件供電。該降壓芯片通過手動(dòng)調(diào)節(jié)可調(diào)電位器便可以調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓范圍大，操作簡(jiǎn)單。

2.6 E50-TTL-500無線通信模塊

該模塊是一款直插型無線串口模塊（UART），收發(fā)一體，半雙工，透明傳輸方式，兼容3.3V與5V的IO口電壓，適用性強(qiáng)；發(fā)射功率大，傳輸距離遠(yuǎn)。同時(shí)，該模塊的數(shù)據(jù)壓縮功能和糾錯(cuò)算法，使其具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高傳輸效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)在軟件方面的設(shè)計(jì)主要有舵機(jī)組動(dòng)作程序，主程序，測(cè)距程序，姿態(tài)調(diào)節(jié)及路線修正程序。程序流程如圖1所示。

4 結(jié)束語

圖1：程序流程圖

本設(shè)計(jì)能夠通過無線串口遠(yuǎn)距離發(fā)送指令控制機(jī)器人；搭載精度較高的姿態(tài)傳感器，在一定范圍內(nèi)能夠自主調(diào)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)，保持平衡，降低跌倒風(fēng)險(xiǎn)，提高行走的穩(wěn)定性，拓寬活動(dòng)范圍。同時(shí)，該款機(jī)器人擁有十二個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)較為靈活，亦可以將其改裝成舞蹈機(jī)器人用于科普實(shí)驗(yàn)。