基于STM32的微電腦鼠對(duì)角線沖刺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李紅益 張好明 王應(yīng)海

摘要：為了提高微電腦鼠沖刺的穩(wěn)定性，并減少微電腦鼠在復(fù)雜迷宮中的沖刺時(shí)間，提出了基于STM32的新型對(duì)角線沖刺算法。借助加速度傳感器ADXL202實(shí)現(xiàn)對(duì)微電腦鼠轉(zhuǎn)彎誤差補(bǔ)償和直線位置的精確修正，前墻傳感器和加速度傳感器組合應(yīng)用保證了微電腦鼠對(duì)角線沖刺姿態(tài)的準(zhǔn)確性。微電腦鼠高速?zèng)_刺實(shí)驗(yàn)表明，新型對(duì)角線沖刺算法能顯著提高微電腦鼠的穩(wěn)定性，并縮短微電腦鼠在迷宮中的沖刺時(shí)間。

關(guān)鍵詞：微電腦鼠;對(duì)角線沖刺;伺服;加速度傳感器

0 引言

微電腦鼠（micromouse）是一種智能輪式迷宮搜尋機(jī)器人，它依靠微處理器、傳感器和機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)在迷宮中的探測(cè)和沖刺。微電腦鼠依靠自身攜帶的傳感器感知不同的“迷宮”，并自動(dòng)記憶其搜尋路徑，依靠多種人工智能算法選擇最佳沖刺路徑，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)設(shè)定的不同迷宮目的地[1-3]。

通常用運(yùn)行時(shí)間、迷宮時(shí)間和觸摸次數(shù)這3個(gè)參數(shù)來(lái)衡量一只微電腦鼠的運(yùn)動(dòng)控制能力，因?yàn)檫@3個(gè)參數(shù)決定了一只微電腦鼠求解迷宮的可靠性、效率和速度，不同國(guó)家采用不同的標(biāo)準(zhǔn)[4-7]，這3個(gè)參數(shù)中最重要的參數(shù)就是迷宮時(shí)間，而迷宮時(shí)間又主要取決于其沖刺的時(shí)間長(zhǎng)短。微電腦鼠高速?zèng)_刺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要求較高，由于國(guó)內(nèi)研究時(shí)間較短，開(kāi)發(fā)的微電腦鼠運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相對(duì)比較落后，實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，例如，只有5組傳感器用來(lái)判斷高速?zèng)_刺路徑中迷宮墻壁的存在，往往提供錯(cuò)誤的迷宮信息，導(dǎo)致沖刺失敗;只有1組傳感器檢測(cè)沖刺路徑中前方迷宮的擋墻，易受外界干擾，造成高速?zèng)_刺時(shí)的導(dǎo)引信息錯(cuò)誤;步進(jìn)電機(jī)的使用，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)常丟失驅(qū)動(dòng)信號(hào)，出現(xiàn)沖刺路徑更新錯(cuò)誤的情況;由于采用相對(duì)低級(jí)的人工智能算法，使得沖刺路徑不是最佳，無(wú)法取得最短沖刺時(shí)間。因此，需要對(duì)現(xiàn)有的微電腦鼠重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 基于STM32F405的高速微電腦鼠硬件原理

STM32F405是由STM公司生產(chǎn)的微控制器，它是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位flash微控制器。STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F(xiàn)4系列的主頻高達(dá)168 MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于F2系列的120 MHz，并且STM32F4系列支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元，STM32F405集成了定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等先進(jìn)外設(shè)，使得F4系列可以較容易滿足控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制需求，為多軸伺服電機(jī)控制提供靈活的解決方案。這些特點(diǎn)使得STM32F405特別適合用于多軸微電腦鼠高速?zèng)_刺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)處理。

為了進(jìn)一步提高微電腦鼠高速?zèng)_刺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性，本文設(shè)計(jì)的高速微電腦鼠樣機(jī)采用紅外發(fā)射管OPE5594A和紅外接收管TSL262來(lái)探測(cè)迷宮擋墻的存在，極大地提高了迷宮探測(cè)的精度和準(zhǔn)確度。

為了充分發(fā)揮前方傳感器的導(dǎo)航和導(dǎo)引功能，本文設(shè)計(jì)的微電腦鼠高速?zèng)_刺樣機(jī)舍棄了國(guó)內(nèi)常采用的單傳感器檢測(cè)方法，所設(shè)計(jì)的微電腦鼠傳感器二維排列結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用基于OPE5594A和TSL262的紅外傳感器S1組和S6組共同探測(cè)前方障礙物，有利于微電腦鼠高速?zèng)_刺時(shí)的導(dǎo)航和導(dǎo)引。

L298N是SGS公司生產(chǎn)的小型伺服驅(qū)動(dòng)器，包含4路邏輯驅(qū)動(dòng)電路，芯片的輸出電壓高達(dá)50 V，輸出電流高達(dá)2.5 A，可獨(dú)立方便地驅(qū)動(dòng)2臺(tái)伺服電機(jī)。芯片含有2路使能控制端子，可以很好地滿足微電腦鼠高速?zèng)_刺兩軸伺服系統(tǒng)的單獨(dú)控制需求。

在吸收國(guó)外微電腦鼠先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，本文在STM32F405的微電腦鼠運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上引入伺服驅(qū)動(dòng)器L298N，控制器以STM32F405為處理核心，實(shí)現(xiàn)微電腦鼠快速?zèng)_刺時(shí)兩軸伺服電機(jī)同步信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，本文設(shè)計(jì)的控制器原理框圖如圖2所示。

STM32F405與L298N連接示意框圖如圖3所示，S1～S6是基于OPE5594A和TSL262的紅外發(fā)射和接收對(duì)管傳感器，S7是加速度傳感器ADXL202，可以計(jì)算出微電腦鼠高速轉(zhuǎn)彎時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，有利于微電腦鼠高速?zèng)_刺時(shí)方向的精確控制。

2 高速微電腦鼠沖刺原理

微電腦鼠一旦接到?jīng)_刺命令，前方傳感器S1和S6首先對(duì)沖刺路徑中的前部環(huán)境進(jìn)行判斷，防止誤沖刺。如果S1和S6發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑中存在迷宮擋墻，則向STM32F405發(fā)送沖刺路徑錯(cuò)誤中斷請(qǐng)求，STM32F405首先響應(yīng)中斷，然后禁用L298N的2路使能端，封鎖伺服X電機(jī)和伺服Y電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，微電腦鼠進(jìn)入自鎖階段;如果沒(méi)有迷宮擋墻進(jìn)入前方的沖刺路徑，微電腦鼠將以設(shè)定的速度和加速度完成最佳路徑的沖刺。

2.1? ? 沖刺原理

在沖刺階段，微電腦鼠將按照?qǐng)D4所示的速度-時(shí)間圖形所示規(guī)律進(jìn)行加減速，圖中包含的面積是微電腦鼠在某段運(yùn)動(dòng)路徑上需要運(yùn)行的沖刺距離。

2.2? ? 對(duì)角線沖刺原理

在微電腦鼠沿著其沖刺路徑快速行進(jìn)過(guò)程中，如果某段路徑如圖5所示，則微電腦鼠控制器將存儲(chǔ)其當(dāng)前坐標(biāo)（x，y），并在控制器的命令下開(kāi)始復(fù)雜的轉(zhuǎn)彎沖刺。

傳統(tǒng)的微電腦鼠沖刺軌跡如圖6所示。從圖中可以看出，這條運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)距離更長(zhǎng)，而且在這條軌跡上沖刺需要多次啟停，多次的加減速相對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)一般需要更長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

為了縮短沖刺路徑并減少?zèng)_刺時(shí)間，本文提出了一種新型對(duì)角線沖刺算法，微電腦鼠按照?qǐng)D7所示的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)行：直線調(diào)整姿態(tài)，以45°沖刺轉(zhuǎn)入，對(duì)角線沖刺，以45°沖刺轉(zhuǎn)出。

根據(jù)不同的沖刺指令算法，STM32F405首先將對(duì)角線沖刺不同階段的行駛距離轉(zhuǎn)換為沖刺加速度、速度和位置指令，然后根據(jù)其內(nèi)部的三閉環(huán)伺服程序，將控制器與電機(jī)反饋相結(jié)合，產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后用STM32F405調(diào)節(jié)L298N的內(nèi)部邏輯電路輸出，使微電腦鼠沿著規(guī)定軌跡行駛。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，多軸加速度傳感器ADXL202將記錄微電腦鼠各軸加速度，通過(guò)積分得到角度信號(hào)，當(dāng)角度偏差超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，控制器就在下一個(gè)采樣周期進(jìn)行補(bǔ)償，使微電腦鼠完全按照規(guī)定的角度轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。

2.3? ? 對(duì)角線沖刺補(bǔ)償

當(dāng)微電腦鼠執(zhí)行對(duì)角線沖刺時(shí)，機(jī)器人沒(méi)有任何平行的擋墻來(lái)執(zhí)行正常的直線路徑導(dǎo)航，因此必須借助自身傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，以幫助機(jī)器人遭遇干擾時(shí)避免與擋墻發(fā)生碰撞。由于微電腦鼠在對(duì)角線直線路徑上行走時(shí)，沒(méi)有任何擋墻與機(jī)器人平行，此時(shí)前端傳感器S1和S6對(duì)系統(tǒng)非常重要，機(jī)器人仍然可以使用這2個(gè)前端傳感器來(lái)確定是否朝著正確的方向前進(jìn)，如圖8所示，當(dāng)方向正確時(shí)，2個(gè)前傳感器將不會(huì)感應(yīng)到任何物體，這意味著2個(gè)傳感器的讀數(shù)應(yīng)保持在一個(gè)較低的數(shù)值。如圖9所示，當(dāng)其中一個(gè)反饋值大于定義的閾值時(shí)，這意味著機(jī)器人正朝錯(cuò)誤的方向前進(jìn)，如果繼續(xù)朝這個(gè)方向快速行進(jìn)，微電腦鼠就會(huì)與墻壁發(fā)生碰撞。

3 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的基于STM32F405的高速微電腦鼠，在沖刺之前，它通常被放置在迷宮起點(diǎn)，高速?zèng)_刺控制器使其首先進(jìn)入自鎖狀態(tài)，一旦有外界命令觸發(fā)控制器，微電腦鼠將根據(jù)實(shí)際的導(dǎo)航環(huán)境沿著沖刺路徑快速前進(jìn)，由STM32F405產(chǎn)生2臺(tái)直流伺服電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微電腦鼠在復(fù)雜迷宮中的快速?zèng)_刺。本文設(shè)計(jì)的沖刺程序原理如圖10所示。

對(duì)角線沖刺原理如圖11所示。

4 實(shí)驗(yàn)

圖12為國(guó)產(chǎn)微電腦鼠和本文設(shè)計(jì)的基于STM32F405設(shè)計(jì)的微電腦鼠實(shí)物對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以看出，新設(shè)計(jì)的微電腦鼠具有體積小、重心低的特點(diǎn)，可以提高微電腦鼠在高速?zèng)_刺時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。

圖13為本文設(shè)計(jì)的微電腦鼠即將進(jìn)入高速對(duì)角線沖刺時(shí)的畫(huà)面。從圖中可以看出，微電腦鼠行走的方向平行于兩邊的擋墻，并處于當(dāng)前迷宮格的中線上，為對(duì)角線沖撞奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從圖14微電腦鼠在迷宮沖刺中運(yùn)行的圖片可以看出，該微電腦鼠沿著預(yù)設(shè)的對(duì)角線方向運(yùn)行，這說(shuō)明控制器已經(jīng)按照紅外傳感器S1、S6和加速度傳感器ADXL202的反饋進(jìn)行了精確補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）L298N集成驅(qū)動(dòng)器的使用，使得新型微電腦鼠具有更小的尺寸和質(zhì)量，并降低了其重心，有利于微電腦鼠的高速?zèng)_刺。

（2）加速度傳感器ADXL202的應(yīng)用，使得沖刺控制器可精確控制微電腦鼠的運(yùn)動(dòng)方向，易于微電腦鼠實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)沖刺。

（3）多傳感器組合可以實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行在最短路徑下的微電腦鼠進(jìn)行干擾補(bǔ)償，在確保微電腦鼠高速?zèng)_刺時(shí)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的前提下，可進(jìn)一步減少其迷宮沖刺時(shí)間。

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