基于STM32的雙足避障機(jī)器人設(shè)計

魯紅權(quán)，劉秋鶴，史濤

（華北理工大學(xué),河北唐山,063000）

基于STM32的雙足避障機(jī)器人設(shè)計

魯紅權(quán)，劉秋鶴，史濤

（華北理工大學(xué),河北唐山,063000）

本文計了一種基于STM32的雙足避障機(jī)器人，機(jī)器人主體使用超輕材質(zhì)的鋁合金搭建，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。采用高性能的STM32單片機(jī)為系統(tǒng)主控芯片，配合外圍傳感器信息采集系統(tǒng)和舵機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，能夠完成自主行走，躲避障礙，路徑規(guī)劃等任務(wù)。經(jīng)實驗驗證，該機(jī)器人系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)自主避障行走，可以有效減少機(jī)器人在避障行走中對環(huán)境的依賴性，滿足設(shè)計要求。

STM32；雙足避障機(jī)器人；路徑規(guī)劃

0 引言

直立雙足機(jī)器人匯集了計算機(jī)、電子、通信、自動控制、傳感器等多各領(lǐng)域的尖端技術(shù),代表了機(jī)電一體化的最高成就,是當(dāng)代科技研究的熱點之一。直立雙足機(jī)器人有著良好的自由度、動作靈活、自如、穩(wěn)定，能夠適合各種不同的操作環(huán)境，是機(jī)械、電子、信息、光檢測為一體的集合。直立雙足機(jī)器人控制及其相關(guān)技術(shù)研究，在機(jī)器人研究領(lǐng)域中有著重要的理論研究價值，并且相關(guān)研究成果與現(xiàn)實社會聯(lián)系緊密，有著不可忽視的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)概述

依據(jù)雙足直立避障機(jī)器人的研究課題設(shè)計要求，這種機(jī)器人應(yīng)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，運動靈活；硬件結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化分明，可拓展性強(qiáng)；軟件實時性強(qiáng)，運行穩(wěn)定等特點。本文所設(shè)計的雙足直立避障機(jī)器人，使用運行穩(wěn)定可靠的STM32單片機(jī)為主控芯片，以17KG大扭矩舵機(jī)為肢體驅(qū)動動力。具有系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，行走平穩(wěn)流暢等特點。該機(jī)器人能實現(xiàn)以下功能。

（1）障礙物檢測，能檢測出所行走環(huán)境中的障礙物，并對障礙物的方位和距離做出準(zhǔn)確測量。

（2）自主直立行走，以舵機(jī)為驅(qū)動動力，在驅(qū)動器的控制之下完成直線行走，向左轉(zhuǎn)彎，向右轉(zhuǎn)彎。

（3）路徑規(guī)劃，根據(jù)傳感器系統(tǒng)檢測到的障礙物信息，通過算法對所行進(jìn)的路徑做出規(guī)劃。

整個機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計可分為硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)的設(shè)計以結(jié)構(gòu)緊湊，模塊獨立，易于拓展為原則；軟件系統(tǒng)以實時性強(qiáng)，運行穩(wěn)定可靠為依據(jù)，這使得整個機(jī)器人系統(tǒng)在穩(wěn)定性，可靠性，實用性等方面得到了很大的提升。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為保證整體系統(tǒng)的模塊獨立和易拓展性，系統(tǒng)硬件主要劃分為六個部分進(jìn)行設(shè)計：系統(tǒng)主控部分，傳感器檢測部分，舵機(jī)驅(qū)動部分，外設(shè)部分，通信部分和供電部分。

（1）主控部分

主控部分使用的單片機(jī)是STM32F103VET6，因為單片機(jī)最小控制系統(tǒng)對電源的要求很高，所以設(shè)計了單獨的電源系統(tǒng)，通過使用低紋波穩(wěn)壓器和濾波器保證單片機(jī)電源的穩(wěn)定性，為單片機(jī)提供一個干凈的電源，保證其正常工作不受干擾。主控部分硬件電路為中，為其它部分電路設(shè)計了接入的端口，使硬件系統(tǒng)模塊化分明，拓展性增強(qiáng)。

（2）傳感器部分

傳感器部分由檢測障礙物的超聲波傳感器和保持云臺平衡的姿態(tài)傳感器共同構(gòu)成。超聲波模塊使用的是US-100系列測距傳感器，該傳感器自帶溫度補(bǔ)償，能有效抵消掉因環(huán)境溫度變化對檢測距離帶來的誤差。姿態(tài)傳感器使用的是具有三軸陀螺儀三軸加速度計的MPU6050傳感器，該傳感器使用I2C通信方式，能準(zhǔn)確測得當(dāng)前云臺的實際角度，使得云臺能始終保持水平，以此保證超聲波傳感器檢測到的是到障礙物的水平距離。

（3）舵機(jī)驅(qū)動部分

舵機(jī)驅(qū)動部分是使用大功率降壓管將電壓穩(wěn)定到舵機(jī)的工作電壓，并設(shè)計了保險絲以防止舵機(jī)因功率過大或堵轉(zhuǎn)發(fā)生燒毀的危險事情發(fā)生。舵機(jī)驅(qū)動部分通過由主控部分發(fā)來的控制信號驅(qū)動。該部分所選用舵機(jī)是17KG大扭矩數(shù)字電機(jī)，它具有扭矩大，響應(yīng)迅速，運行穩(wěn)定的優(yōu)點。

（4）外設(shè)部分

外設(shè)部分主要由按鍵和OLED顯示器構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，工作模式的選擇等。

（5）通信部分

通信部分主要完成機(jī)器人運行數(shù)據(jù)及控制命令的傳輸。

（6）電源部分

電源部分使用的是容量大，體積下，質(zhì)量輕的鋰電池，該電池能承受較大電流，保證系統(tǒng)不會因舵機(jī)啟動電流較大而發(fā)生意外。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)是基于STM32F103VET6單片機(jī)平臺和KEIL軟件開發(fā)環(huán)境設(shè)計的。在設(shè)計中為保證軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實時性，對各個功能部分進(jìn)行封裝，分模塊進(jìn)行設(shè)計，為每個功能模塊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用接口，這樣在函數(shù)調(diào)用時只需調(diào)用所需功能模塊即可，在開發(fā)過程中如需變動某些功能也只需改變相應(yīng)功能模塊即可。

軟件系統(tǒng)設(shè)計可細(xì)分為六個模塊：控制與決策模塊，云臺控制模塊，信息采集與處理模塊，系統(tǒng)菜單模塊，數(shù)據(jù)通行模塊和運動控制模塊。

（1）控制與決策模塊

該模塊是機(jī)器人工作的中樞與大腦，它的穩(wěn)定與否直接影響到機(jī)器人系統(tǒng)的整體運行，他負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)，包括對傳感器采集到的障礙物信息做出處理，通過模糊控制算法做出路徑規(guī)劃，進(jìn)而做出動作決策，將所要執(zhí)行的動作指令傳送給運動控制部分。同時還要將系統(tǒng)中一些重要數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊模塊發(fā)送出去。當(dāng)系統(tǒng)菜單模塊向該模塊發(fā)出通信請求時，需要將當(dāng)前工作懸掛，處理系統(tǒng)菜單模塊發(fā)來的參數(shù)設(shè)置任務(wù)。

（2）云臺控制模塊

系統(tǒng)中為保證障礙物測量信息的準(zhǔn)確性，需要將超聲波傳感去架設(shè)在云臺上，該模塊主要負(fù)責(zé)使超聲波傳感器保持在水平位置，通過姿態(tài)傳感器檢測到的數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前云臺的狀態(tài)信息，如果水平角度與預(yù)設(shè)值有偏差，將通過模塊中的PID控制算法，迅速調(diào)整云臺至指定角度。

（3）信息采集模塊

該模塊主要控制系統(tǒng)中的超聲波模塊，定時對機(jī)器人前方視野范圍進(jìn)行檢測，并對檢測到的信息進(jìn)行記錄存儲，每完成一次檢測任務(wù)，就與控制與決策模塊通信，報告障礙物信息已更新完成，請求處理數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)菜單模塊

系統(tǒng)菜單設(shè)計的主要內(nèi)容是，通過對按鍵和屏幕的控制，使人和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主要完成參數(shù)設(shè)置和模式選擇。

（5）數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通模塊負(fù)責(zé)實時將系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，并在接收到上位機(jī)控制指令后，與控制與決策模塊通信，處理接收到的指令。

（6）動作控制模塊

動作控制模塊的任務(wù)是負(fù)責(zé)機(jī)器人的行走動作控制，直線行走，左轉(zhuǎn)彎或右轉(zhuǎn)彎，它作為底層函數(shù)受控制與決策模塊控制，只有在接收到控制與決策指令時，該模塊才會做出相應(yīng)控制，其它時刻使機(jī)器人保持原來姿態(tài)不改變。

4 調(diào)試與分析

在硬件系統(tǒng)設(shè)計與軟件系統(tǒng)設(shè)計都完成后，我們對所設(shè)計機(jī)器人進(jìn)行了整體調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如下。

（1）檢測部分

傳感器系統(tǒng)和云臺系統(tǒng)作為機(jī)器人的眼睛，負(fù)責(zé)檢測機(jī)器人行進(jìn)道路上的障礙，在實驗室調(diào)試過程中，云臺工作正常，超聲波傳感器檢測到的數(shù)據(jù)與實際相符合，該部分經(jīng)調(diào)試滿足設(shè)計要求。

（2）直立行走部分

動作控制模塊在接收到控制器指令后做出相應(yīng)控制，完成機(jī)器人的各種行動。經(jīng)實驗調(diào)試，在無障礙設(shè)定下，機(jī)器人可有效完成直立行走任務(wù)。

（3）控制決策部分

控制器將采集的各項信息通過模糊控制器推理后進(jìn)行PID計算來控制機(jī)器人轉(zhuǎn)動角度，做出動作決策，將所要執(zhí)行的動作指令傳送給運動控制部分。經(jīng)測試，機(jī)器人可有效完成固定區(qū)域內(nèi)的避障行走，實現(xiàn)路徑規(guī)劃，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于STM32的直立雙足機(jī)器人，整個設(shè)計方案包括機(jī)器人選型組裝、硬件電路設(shè)計以及軟件控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)。經(jīng)過測試表明，本設(shè)計能夠有效完成直立行走和智能避障的設(shè)計要求，基本完成預(yù)期目標(biāo)。同時，在此研究基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步完善模糊PID算法在機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，進(jìn)一步延伸設(shè)計的研究價值。

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Design of Obstacle Avoidance Biped Robot based on STM32

Lu Hongquan, Liu Qiuhe, Shi Tao
（North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei,063000）

This paper describes an obstacle avoidance biped robot based on STM32 ,the main body of the robot is built up with ultra-light aluminum alloy , stable and reliable , which has a strong ability to adapt to the environment.The design uses high-performance STM32 microcontroller for the system master chip, with the external sensor information acquisition system and servo drive control system, to complete the autonomous walking, obstacles avoiding, path planning and other tasks.Experiments show that the robot system can achieve a good self - avoidance walking, which can effectively reduce the dependence on the environment in obstacle avoidance.These meet the design requirements well.

STM32; obstacle avoidance biped robot; path planning

魯紅權(quán)（1994—），男，河北唐山人，研究方向：智能機(jī)器人控制。

劉秋鶴（1993-)，女，河北保定人，研究方向：智能機(jī)器人控制。