張占勝 王寧佳 李峰 李嘯林

摘要：本文設(shè)計適合復(fù)雜環(huán)境的移動機(jī)器人定位系統(tǒng)，機(jī)器人采用STM32F103單片機(jī)為主控芯片，使用以慣性傳感器MPU6050為主的定位模塊，完成機(jī)器人硬件系統(tǒng)的設(shè)計和硬件電路的搭建，并結(jié)合硬件部分完成機(jī)器人算法設(shè)計，建立機(jī)器人的實時行進(jìn)狀態(tài)控制模型。最終機(jī)器人可在復(fù)雜環(huán)境下的進(jìn)行平面定位導(dǎo)航，很好的解決地面上工作的機(jī)器人對位置精度要求較高的問題。

關(guān)鍵詞：慣性傳感器;復(fù)雜環(huán)境;STM32F103;平面定位

0 ?引言

近年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，移動機(jī)器人已經(jīng)在工業(yè)、軍事、生活等各方面得到廣泛的運用。尤其是在一些不適宜人類進(jìn)入的復(fù)雜環(huán)境下需求很大，同時對機(jī)器人位置的檢測精度，以及行走的航線精度也有了進(jìn)一步的要求，因此研究適合復(fù)雜環(huán)境的移動定位機(jī)器人很有應(yīng)用價值。

本文研究的機(jī)器人具有定位準(zhǔn)確，成本低廉的優(yōu)點。本研究利用慣性傳感器采用主動控制技術(shù)，通過對機(jī)器人建立坐標(biāo)系運動加速度和角度采集和計算來確定移動機(jī)器人的位置，能夠滿足在一系列有范圍的場地內(nèi)或者一些具有潛在危險而不適合人類親自進(jìn)入的環(huán)境中的工作需求。

1 ?硬件設(shè)計

本設(shè)計主要的控制系統(tǒng)主要包括供電模塊，主控模塊，平面定位模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊以及和上位機(jī)相連接的串口模塊，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

主控模塊使用意法半導(dǎo)體（ST）公司出品的STM32F103系列單片機(jī)，其內(nèi)核是Cortex-M3，該內(nèi)核的優(yōu)點是高性能、低功耗、低價格。

供電模塊主要服務(wù)于三個部分——主控模塊3.3V，定位系統(tǒng)5V，電機(jī)驅(qū)動12V。在這里我們設(shè)計了一個穩(wěn)壓電源電路（如圖2），用到的是LM1117芯片，LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，可通過2個外部電阻可實現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍。

平面定位模塊主要用于慣性導(dǎo)航，平面定位，集成了慣性傳感器（MPU6050）——陀螺儀、加速度計、編碼器等多種傳感器（如圖3）。通過濾波、融合等方法，可以解算出定位系統(tǒng)中心在其坐標(biāo)系中的位置姿態(tài)信息。

MPU6050為全球首例整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。

2 ?軟件設(shè)計

軟件部分是基于FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)——硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用功能層。硬件驅(qū)動層，其主要負(fù)責(zé)各個硬件模塊和通信接口的配置與讀寫程序。操作系統(tǒng)層為開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)（FreeRTOS）。FreeRTOS系統(tǒng)可以提供任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理等功能，可滿足本研究的需要。應(yīng)用功能層，機(jī)器人的所有基礎(chǔ)功能都在這一層實現(xiàn)，負(fù)責(zé)調(diào)用驅(qū)動層程序和操作系統(tǒng)接口完成外設(shè)數(shù)據(jù)讀取，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波、地圖構(gòu)建、機(jī)器人導(dǎo)航、機(jī)器人定位等。軟件流程圖如圖4所示。

3 ?慣性導(dǎo)航定位的實現(xiàn)

適合復(fù)雜環(huán)境的移動機(jī)器人的研究采用慣性導(dǎo)航的定位方式實現(xiàn)準(zhǔn)確的二維平面空間機(jī)器人相對定位。實現(xiàn)步驟如下：

①系統(tǒng)初始化。

②初始化完成后，采集用于運動控制器件定位原始數(shù)據(jù);進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性處理，主要包含有濾波處理、多軸之間去交叉干擾處理、溫度補(bǔ)償處理等。

③進(jìn)行定位算法，根據(jù)三軸陀螺儀原始數(shù)據(jù)以及上一定位點位置數(shù)據(jù)計算出運動控制器件目前定位點相對于上一定位點的相對位移。

④利用加速度計的得到的數(shù)據(jù)，計算目前運動控制器件的姿態(tài)角，獲得運動控制器件當(dāng)前定位點絕對位置的相對位移誤差補(bǔ)償量。

⑤根據(jù)計算獲得的相對位移誤差補(bǔ)償量，補(bǔ)償步驟③得到的運動控制器件目前定位點相對于上一定位點的相對位移，獲得運動控制器件當(dāng)前定位點絕對位置數(shù)據(jù)。

4 ?結(jié)束語

本文是在基于STM32單片機(jī)的開發(fā)平臺上對適合復(fù)雜環(huán)境的移動定位機(jī)器人進(jìn)行了硬件設(shè)計和軟件調(diào)試。在現(xiàn)場實驗中，本機(jī)器人能夠反饋精確的位置信息，實現(xiàn)有效安全的路徑規(guī)劃，具有良好的應(yīng)用前景。

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基金項目：“2019年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”資助項目， 項目編號：201910149015。