武豪杰，李發(fā)海

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰, 442002）

0 引言

本項(xiàng)目主要是應(yīng)用所學(xué)知識(shí)對(duì)STM32F407單片機(jī)進(jìn)項(xiàng)改裝設(shè)計(jì)來(lái)控制仿人型格斗機(jī)器人以達(dá)到競(jìng)賽所需的目的，本次項(xiàng)目為我校學(xué)生提供了一次探索科技、創(chuàng)新思維與實(shí)際行動(dòng)結(jié)合的機(jī)會(huì)。也為激發(fā)我校學(xué)生對(duì)高科技的興趣與愛(ài)好、激勵(lì)創(chuàng)新意識(shí)、活躍校園科技活動(dòng)、培養(yǎng)未來(lái)科技人才提供了大舞臺(tái)，也是深化“科技興國(guó)”戰(zhàn)略方針的一個(gè)新舉措。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿人型格斗機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主控機(jī)構(gòu)、伺服舵機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)組成[1]。仿生機(jī)器人共有2條腿，均勻分布在圓形軀干的兩邊，每條腿上有5個(gè)關(guān)節(jié)，機(jī)器人中的關(guān)節(jié)一般用“自由度”來(lái)表示。即機(jī)器人每條腿上有5個(gè)自由度，全身共19個(gè)自由度。對(duì)于一個(gè)仿生機(jī)器人來(lái)說(shuō)，每條腿上的5個(gè)自由度基本能滿足到達(dá)各個(gè)位置的要求，關(guān)節(jié)部位通過(guò)來(lái)伺服舵機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。主控機(jī)構(gòu)可以控制全身的伺服舵機(jī)進(jìn)行合適的角度調(diào)整以達(dá)到仿人效果。手部可以根據(jù)實(shí)際情況安裝合適的手型。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 控制器設(shè)計(jì)方案

控制板可以控制全身的伺服舵機(jī)進(jìn)行合適的角度調(diào)整以達(dá)到仿人效果，在此基礎(chǔ)上完成合適的仿人動(dòng)作。核心處理器采用STM32F407VET6；動(dòng)作存儲(chǔ)空間：采用128MBTF儲(chǔ)存卡，最大可支持32G；控制方式：藍(lán)牙模塊控制；485舵機(jī)接口：5個(gè)，理論可同時(shí)控制舵機(jī)數(shù)量為254個(gè)；TTL舵機(jī)接口： 5個(gè)，理論可同時(shí)控制舵機(jī)數(shù)量為254個(gè)；喇叭接口： 可同時(shí)連接2個(gè)8歐3瓦的喇叭；串口數(shù)量： 預(yù)留3個(gè)TTL接口；三維軟件操作接口：標(biāo)準(zhǔn)USB接口；姿態(tài)傳感器（陀螺儀）；電源模塊：采用12V

圖1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖

航模電池供電，再使用降壓模塊分別引出10V、5V、3.3V接口，分別為電機(jī)、各傳感器、STM32單片機(jī)供電。

■2.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)方案

要完成在藍(lán)牙模塊控制的情況下，能夠根據(jù)周圍情況的不同，做出合適的仿人動(dòng)作。其動(dòng)作有前進(jìn)，后退，左右撤步和左、右轉(zhuǎn)正面，左、右直拳。通過(guò)STM32控制板進(jìn)行藍(lán)牙模塊控制、電源檢測(cè)等基礎(chǔ)硬件配置，接收藍(lán)牙發(fā)送過(guò)來(lái)的信息[2]，進(jìn)行電源監(jiān)控以及進(jìn)一步子模塊的運(yùn)行。其子模塊是其某個(gè)具體動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

■2.3 伺服舵機(jī)控制方式設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人采用的舵機(jī)為總線式舵機(jī)，此種舵機(jī)連接方式可以看作是所有的舵機(jī)是被一組線串聯(lián)起來(lái)的[3]。因此控制方式不是簡(jiǎn)單的單對(duì)單控制命令，而是主控器將控制信號(hào)下發(fā)之后，每個(gè)舵機(jī)根據(jù)自己的ID號(hào)自動(dòng)挑選自己對(duì)應(yīng)的命令而執(zhí)行。而這些命令全部通過(guò)485或串口發(fā)送給各個(gè)舵機(jī)，同時(shí)也將舵機(jī)的當(dāng)前信息發(fā)回到控制器。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 軟件結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目要研究的主要問(wèn)題是通過(guò)所學(xué)知識(shí)對(duì)STM32F407單片機(jī)的改裝以及機(jī)器人程序的編寫(xiě)和改進(jìn)，同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行硬件改裝和軟件設(shè)計(jì)以用于適應(yīng)仿人搏斗機(jī)器人競(jìng)賽。而基于STM32F407芯片的單片機(jī)與傳感器和數(shù)量足夠多的舵機(jī)的組合設(shè)計(jì)成的格斗機(jī)器人是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)藍(lán)牙控制系統(tǒng)以執(zhí)行各種命令，實(shí)現(xiàn)仿人格斗動(dòng)作。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■3.2 多舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序

機(jī)器人的多個(gè)關(guān)節(jié)組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的連貫性動(dòng)作，在控制機(jī)器人動(dòng)作的時(shí)候，能夠控制各個(gè)舵機(jī)分別勻速平滑的由一個(gè)位置到另外一個(gè)位置，便可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作連貫性。通過(guò)將舵機(jī)位移過(guò)程分?jǐn)?shù)的方式，使得舵機(jī)的運(yùn)行速度盡量的勻速平滑。舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制圖如圖3所示。

圖3 舵機(jī)運(yùn)動(dòng)控制圖

//函數(shù)名稱：voidp_to_p(int delay)

//函數(shù)說(shuō)明：position 變化子程序，實(shí)現(xiàn)同起同落

//入口參數(shù)：delay=延時(shí)，define:決定循環(huán)次數(shù)由自//己決定還是通過(guò)程序算出結(jié)果

voidp_to_p(s16 delay,s16 define)

{

u8i,j; float c;

s16a,b=0,M=0;

u8 position_buあer[24];

for(i=0;i＜24;i++)

{

position_buあer[i]=position[i];

//記錄當(dāng)前位置值

}

if(define==0) //決定循環(huán)次數(shù)M

M=1;

else

M=define;

for(i=1;i＜=M;i++) //開(kāi)始循環(huán)M次輸出

{

for(j=0;j＜24;j++)

{

// position_change記錄的是舵機(jī)的目標(biāo)位置與當(dāng)前位置差

c = position_change[j]; //將距離目標(biāo)點(diǎn)的值分?jǐn)?shù)，一步步逼近目標(biāo)值

if(i==1)

a=(c＊i)/M;

else

{

a=(c＊i)/M;

b=(c＊(i-1))/M;

}

position[j]+=(a-b);//每次加上分?jǐn)?shù)值取整

}

SendMultipleServosAngles(position, 24); //執(zhí)行24舵機(jī)輸出

low_level_500u(delay); //小延時(shí)，用于調(diào)速。

}

for(i=0;i＜24;i++) //最后補(bǔ)償每個(gè)舵機(jī)的誤差

{

position[i]= position_buあer[i]+ position_change[i];

}

SendMultipleServosAngles(position, 24);

//執(zhí)行24舵機(jī)輸出

low_level_500u(delay);

}

■3.3 程序流程圖

嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。執(zhí)行裝置可以很簡(jiǎn)單，如轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器人左臂的舵機(jī)，當(dāng)遙控左臂出拳時(shí)，左臂的四個(gè)舵機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸角度做出類人出拳的動(dòng)作。程序流程圖如圖4所示。

■3.4 機(jī)器摔倒判別

姿態(tài)傳感器是一種將非電量轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)的檢測(cè)裝置，靈活的運(yùn)用它，可以賦予機(jī)器人調(diào)整姿態(tài)，使其出現(xiàn)任何不規(guī)則的姿勢(shì)回歸到標(biāo)準(zhǔn)站姿。開(kāi)始要給傳感器設(shè)置合理的初始數(shù)值，作為判斷摔倒的依據(jù)，在倒地時(shí)能準(zhǔn)確判斷并站立。機(jī)器摔倒判流程如圖5所示。

圖4 程序流程圖

圖5 機(jī)器摔倒判別流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的關(guān)鍵問(wèn)題在于，第一在硬件上理解舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，即通過(guò)某種頻率的脈沖信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向，需要對(duì)19個(gè)舵機(jī)進(jìn)行通電同步控制，連接藍(lán)牙模塊，設(shè)置好舵機(jī)穩(wěn)定的初始位置，配置姿態(tài)傳感器等處理。第二在軟件上，利用proteus仿真和keil5軟件進(jìn)行C語(yǔ)言編寫(xiě)，編程語(yǔ)言嵌入單片機(jī)后，當(dāng)用藍(lán)牙控制機(jī)器人時(shí)，使機(jī)器人能夠依靠多個(gè)舵機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)及時(shí)做出合理的動(dòng)作，即要為單片機(jī)植入合理的程序，寫(xiě)入多樣的動(dòng)作模塊，使機(jī)器人結(jié)合多個(gè)攻擊動(dòng)作，完成比賽要求。第三，在其他方面上，例如機(jī)械結(jié)構(gòu)，既要保證機(jī)器人的強(qiáng)度也要保證機(jī)器人的靈活性，確保材料穩(wěn)定，同時(shí)也要研究多個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)協(xié)調(diào)出動(dòng)作，這是確保機(jī)器人在應(yīng)對(duì)突發(fā)情況時(shí)是否能及時(shí)做出應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵。