基于STM32芯片的移動機器人的避障研究

徐鼎新++符秀輝

摘 要 隨著移動機器人走進千家萬戶，針對移動機器人的路徑規(guī)劃以及如何規(guī)避障礙物，提出了一種基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機控制超聲波傳感器以及舵機進行機器人避障的解決方案。分析了由微處理器如何控制機器人使其產(chǎn)生避障行為，使其在某些障礙物環(huán)境下繞出狹窄區(qū)域；使其順著障礙物前進直到開闊地帶。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)電路簡單，抗干擾性強，測量精度高。此方案能夠穩(wěn)定的控制移動機器人進行有效的避障，驗證了該方案的的實時性和可行性。

【關(guān)鍵詞】移動機器人 STM32單片機 超聲波傳感器 避障

1 引言

隨著近幾年來機器人技術(shù)的快速發(fā)展，機器人產(chǎn)業(yè)已展現(xiàn)出強大的生命力。機器人的應用領(lǐng)域不斷擴大如：生活服務與娛樂，軍事偵察，科學探測，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等等。機器人的性能逐漸提高并且正在向智能化方向發(fā)展。移動機器人作為新型的勞動工具，在改變勞動模式，提高勞動效率，減輕勞動強度等方面展現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。伴隨著人工智能技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)及機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，室內(nèi)移動機器人控制系統(tǒng)的更高層次的研究和開發(fā)已具備了十分堅實的基礎和較好的發(fā)展前景。目前對室內(nèi)移動機器人影響比較大的重要技術(shù)是：傳感器技術(shù)、噪音控制技術(shù)、自動清洗技術(shù)、清潔空間高度較低區(qū)域的技術(shù)和自動避障路徑規(guī)劃技術(shù)。本文提出了一種基于STM32單片機對移動機器人自動避障規(guī)劃的解決方案。探討了移動機器人的避障原理，詳細的研究了系統(tǒng)的硬件設計，軟件流程。對實驗結(jié)果進行了分析后證明本方案電路簡單，抗干擾性好，測量精度完全滿足移動機器人的避障要求。

2 移動機器人避障系統(tǒng)硬件介紹

移動機器人的避障系統(tǒng)主要由舵機與超聲波模塊構(gòu)成，超聲波模塊安裝在舵機之上。為使移動機器人能夠自動避障，使用超聲波進行避障，通過超聲波接收到的信號，判斷出障礙物的位置情況來進行多個方向的避障，在行進的過程中，機器人對前方的障礙物進行檢測并根據(jù)障礙物的情況做相應的轉(zhuǎn)彎，并改變舵機的旋轉(zhuǎn)方向并重復前面的行進過程。

由于超聲傳感器存在固有測量盲區(qū)，對近距離內(nèi)的障礙物無法檢測，因此本文采用紅外傳感器彌補超聲波傳感器的測量盲區(qū)。處于超聲波傳感器的兩端。圖1為移動機器人避障系統(tǒng)的硬件設計框圖。圖2為本實驗所使用機器人。

3 移動機器人的避障方案

3.1 移動機器人的避障方案

當移動機器人開始工作時，先使機器人繞房間行駛一周，測量出擦地區(qū)域的長和寬，并計算出清潔區(qū)域的面積，記錄下最大的X軸與Y軸的行進距離。限定以后行駛路徑的范圍。之后將移動機器人放在需測量的初始位置，然后沿y軸正向前進，當機器人運行前面出現(xiàn)障礙物時，該機器人的避障系統(tǒng)便會測定障礙物的位置，STM32芯片便會產(chǎn)生中斷進入中斷程序，在中斷程序內(nèi)調(diào)整舵機方向使機器人轉(zhuǎn)彎，機器人會繞過障礙物并繼續(xù)前進。若機器人的前方?jīng)]有障礙物移動機器人會繞著測量區(qū)域進行往返運動直到之前測量所記錄下的X軸Y軸的最大位置為止。圖3為避障程序流程圖。其中DIS為機器人與障礙物之間的距離，單位為cm。

3.2 機器人的避障實驗的實現(xiàn)

實驗環(huán)境的搭建，需要黑色電工膠布、足夠白的白板與障礙物的完美契合。首先將黑色電工膠布圍成一個矩形，但是在矩形的四角要做成圓弧形狀，以便于機器人更加順利的轉(zhuǎn)彎。與此同時，在矩形的區(qū)域內(nèi)放上兩個障礙物，需要強調(diào)的是兩個障礙物必須成規(guī)則方塊狀，在實驗區(qū)域內(nèi)隨機擺放。分別做兩次實驗：1兩障礙物在區(qū)域內(nèi)成45度角，其中一個障礙物在機器人正前方，另一個障礙物在其右下方。機器人在區(qū)域內(nèi)的A點到達預定目標B點。 2 兩障礙物在區(qū)域內(nèi)一前一后放在機器人前面，讓其穿過兩障礙物從A運動到B點。

其后，將移動機器人放在無障礙物的一個黑色角落上，隨即啟動電源開關(guān)。順時針行走時，可以明顯的觀察到機器人沿著黑色電工膠布前進，當遇到拐角時可以自動右轉(zhuǎn)，當遇到障礙物時，先是左轉(zhuǎn)90度，然后再次遇到障礙物，隨后右轉(zhuǎn)180度，機器人未檢測到障礙物，繼續(xù)沿著黑色電工膠布軌跡前進。

當機器人在遇到下一個無障礙弧度拐角時，機器人將繼續(xù)依照舵機上的超聲波傳感器接收到的信號進行小幅度左轉(zhuǎn)，然后才會轉(zhuǎn)彎。圖4為實驗1的機器人理想避障圖，圖5為實驗1的機器人理想避障圖。

4 實驗結(jié)論

在圖6為機器人在區(qū)域左下角A點出發(fā)途徑兩個障礙物到達右上角B點的軌跡。

在圖7中實驗難度有所增加，由區(qū)域正下方A點到區(qū)域正上方B點 機器人必須由障礙物中間穿行。

由以上實驗可知，整個系統(tǒng)的設計以STM32單片機為核心，利用了超聲波避障傳感器，將軟件與硬件相結(jié)合可以實現(xiàn)以下功能：移動機器人在行駛的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)直道和弧形軌道的前進，若有偏離能夠自動糾正，返回到預設軌道。 當機器人探測到前方檢測的障礙物可以自動的調(diào)整躲避障礙物，從無障礙的區(qū)域通過。

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作者單位

沈陽化工大學信息工程學院 遼寧省沈陽市 110142