基于STM32F407的輪式機器人定位控制系統(tǒng)的設(shè)計

孫猛猛 楊明輝 張玉炳 萬林

【摘要】 傳統(tǒng)的雙碼盤和陀螺儀定位系統(tǒng)由于受到地面環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致其定位精度不高。本文提出了一種基于STM32F407ZGT6的輪式機器人定位控制位系統(tǒng)的設(shè)計方案，在傳統(tǒng)的雙碼盤和陀螺儀的定位系統(tǒng)中加入了激光雷達和DT50激光測距儀作為輔助定位手段。采用STM32F407ZGT6作為本控制系統(tǒng)的核心處理器，并且給出了相關(guān)部分的硬件設(shè)計和系統(tǒng)總體的軟件架構(gòu)。從測試結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)完成了輪式機器人的定位，完全達到了預(yù)期設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】 輪式機器人 STM32F407ZGT6 定位系統(tǒng) 激光雷達 激光測距儀

一、概述

輪式機器人在應(yīng)用普及的過程中，由于地面環(huán)境的復(fù)雜性、運動路徑不固定等問題使得輪式機器人的定位成為其應(yīng)用普及的關(guān)鍵性問題。

針對該問題，本文提出了一種基于STM32F407的定位控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案綜合了嵌入式控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及通訊技術(shù)，檢測與控制輪式機器人的運動狀態(tài)，實現(xiàn)了輪式機器人的定位功能。

二、定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在改定位系統(tǒng)中，主控器通過PWM脈寬調(diào)制技術(shù)控制電機驅(qū)動模塊，通過定位板模塊給出機器人確定的出發(fā)位置，通過輔助定位模塊對機器人的位置進行必要的坐標糾正。在機器人運行的過程中通過無線通訊模塊將機器人實時的位置坐標傳到上位機，用戶可通過上位機操作界面對機器人進行實時的操作與監(jiān)測。

整個硬件框圖由調(diào)試器下載口、電機驅(qū)動部分、電源部分、晶振部分、主控板、定位板模塊、主控板、輔助定位板模塊1和輔助定位板模塊2組成。

三、關(guān)鍵部分硬件電路設(shè)計

3.1關(guān)鍵電子元器件選型

主控板芯片選型：要滿足多路PWM輸出口、I/O中斷口、多種通訊功能包括CAN通信和串口通信，因此選用ST公司的STM32F407ZGT6。定位板模塊芯片選型：要滿足多路脈沖信號輸入、I/O口、多種通訊功能包括CAN通信和SPI通信，因此選用ST公司的STM32F405RGT6。

輔助定位模塊1、2控制器選型：輔助定位與主控是CAN總線組網(wǎng)通訊，控制器芯片選用STM32F103R8T6，既滿足實用性又滿足經(jīng)濟性。

四、定位系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1主控板程序流程

主控板通過CAN通信協(xié)議與定位板、輔助定位板1、輔助定位板2進行通信，主控每隔5ms收到定位板的坐標值，然后根據(jù)需要啟動激光雷達或者DT50。激光雷達或DT50根據(jù)當(dāng)前定位板的坐標解算出糾正后的坐標，然后直接進行坐標替換。

4.2定位板程序流程

定位板通過定時器采集碼盤的脈沖信號和Spi通信協(xié)議讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，然后計算出當(dāng)前位置坐標。定位板分別通過串口Usart和Can協(xié)議將當(dāng)前坐標值發(fā)送給上位機和主控板。

4.3輔助定位板1（激光雷達）和輔助定位板2（DT50）的程序流程

主控板根據(jù)需要（由上位機決定）啟動激光雷達或激光測距儀（DT50）進行輔助定位，激光雷達或DT50收到指令后根據(jù)車子當(dāng)前坐標和測出障礙物的距離來計算正確位置坐標，然后將坐標發(fā)送給定位板進行數(shù)據(jù)替換。

五、實驗測試

讓機器人從測試場地任意位置出發(fā)，分別設(shè)定機器人應(yīng)到位置坐標，然后實測機器人的實際坐標，然后比較兩者的差異，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1測試數(shù)據(jù)表明該定位系統(tǒng)已經(jīng)達到很高的定位精度，完成了機器人的定位功能。

六、結(jié)語

該輪式機器人定位系統(tǒng)可以很好地滿足機器人的定位精度，不再受限于地面環(huán)境因素的影響，對于機器人的普及應(yīng)用起到很重要的作用。