基于STM32的機(jī)器人爬樓姿態(tài)控制研究*

曹鵬彬，胡泰然，陳緒兵

( 武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，人工智能技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快,而機(jī)器人作為人工智能的載體，已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，被認(rèn)為是服務(wù)人類的工具。機(jī)器人作為一種機(jī)電一體化設(shè)備，具有在人類控制下自動(dòng)執(zhí)行工作的能力，美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人的定義[1]為：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)[2]?！?/p>

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著人們生活水平的日益提高，機(jī)器人逐漸從工廠走向千家萬(wàn)戶，作為服務(wù)型機(jī)器人，成為家庭中重要的組成部分[3-4]。

在全世界先后踏進(jìn)老齡化社會(huì)過(guò)程中，助老助殘機(jī)器人占有越來(lái)越大的比重。在助老助殘機(jī)器人中，爬樓的實(shí)現(xiàn)是很具有挑戰(zhàn)性的。

針對(duì)老齡化人群爬樓困難的問(wèn)題，開發(fā)了一套軟硬件結(jié)合的產(chǎn)品，幫助老人完成爬樓;研究了智能爬樓機(jī)器人在爬樓過(guò)程中的姿態(tài)控制，為爬樓動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1 爬樓機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)

智能爬樓機(jī)器人可以分解成硬件電路和軟件程序兩大部分。其中硬件電路部分為電路本身(包含傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、步進(jìn)電機(jī)、電源模塊等)，軟件程序?yàn)橹骺刂破骺刂瞥绦颉Ｊ紫扔蓚鞲衅髂K將采集的數(shù)據(jù)傳送給主控制器進(jìn)行運(yùn)算處理,主控制器根據(jù)當(dāng)前的姿態(tài)，將數(shù)據(jù)輸出給驅(qū)動(dòng)器模塊來(lái)控制電機(jī)達(dá)到爬樓的效果[5]。爬樓過(guò)程中姿態(tài)如圖1所示。

2 爬樓過(guò)程中硬件設(shè)計(jì)

2.1 器件選型

本文采用STM32F103ZET6作為主控制器，MPU6050為姿態(tài)傳感器，同時(shí)配備超聲波傳感器KS103、電子羅盤HMC5983以及編碼器HKT22等，主控制器的參數(shù)如表1所示。

圖1 爬樓機(jī)器人底盤爬樓姿態(tài)圖

裝置核芯ARM Cortex M3數(shù)據(jù)總線寬度(bit)32程序Flash(kB)128最大IIC通道數(shù)目2RAM (kB)20最大SPI通道數(shù)目2工作頻率 (MHz)72最大USART通道數(shù)目3I/Os100計(jì)時(shí)器(bit)3×16指令集結(jié)構(gòu)RISC計(jì)時(shí)器分辨率(bit)16

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

(1) 電源部分設(shè)計(jì)。電源部分采用德州儀器LM43603QPWP電源穩(wěn)壓芯片，該芯片是一款同步降壓轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)3 A的負(fù)載電流，其輸入電壓范圍為3.5 V～36 V(最大絕對(duì)值42 V)。同時(shí)采用峰值電流模式來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制環(huán)路補(bǔ)償和逐周期電流限制。

(2) 主控電路設(shè)計(jì)。主控芯片采用意法半導(dǎo)體STM32F103ZET6。該芯片采用Cortex M3內(nèi)核，支持2路SPI、2路IIC，其工作穩(wěn)定，性能強(qiáng)勁。同時(shí)支持3路USART串口，方便調(diào)試。

(3) 外圍電路設(shè)計(jì)。爬樓過(guò)程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取采用MPU6050六軸加速度計(jì)陀螺儀傳感器，距離信息采用超聲波傳感器獲取，同時(shí)使用編碼器采集當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，為平衡提供條件。調(diào)試電路的設(shè)計(jì)同時(shí)還包括Flash存儲(chǔ)芯片(W25Q64)模塊的電路設(shè)計(jì)、SD卡模塊的電路設(shè)計(jì)，為參數(shù)和地圖等信息的存儲(chǔ)創(chuàng)造了條件。

2.3 硬件PCB設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)原理圖并繪制PCB，通過(guò)打樣焊接最終得到主控板如圖2所示。

圖2 STM32主控板實(shí)物圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體方案設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)整體方案采用閉環(huán)控制，爬樓過(guò)程中首先讀取MPU6050傳感器、超聲波等傳感器信息，通過(guò)電機(jī)來(lái)調(diào)整當(dāng)前的方向和間距。整體的執(zhí)行策略如圖3所示。

3.2 姿態(tài)濾波算法

姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)波動(dòng)非常大，所以對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的濾波是至關(guān)重要的。本文以卡爾曼濾波為基礎(chǔ)，采用改進(jìn)的卡爾曼濾波得到平滑的曲線。濾波效果良好，曲線平滑過(guò)沖小。

3.3 模糊PID控制算法

將模糊控制的理念與傳統(tǒng)的PID控制算法相結(jié)合，就可以形成模糊PID控制。模糊PID算法結(jié)合了傳統(tǒng)PID控制和現(xiàn)代控制理論中模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)非線性的系統(tǒng)有較好的控制效果。本系統(tǒng)采用模糊PID算法，實(shí)際調(diào)試過(guò)程中取得了較好的控制效果。

圖3 爬樓機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論

本文首先系統(tǒng)分析了爬樓機(jī)器人設(shè)計(jì)的總體方案，設(shè)計(jì)方案包括硬件電路的設(shè)計(jì)和主控制器算法的設(shè)計(jì)。硬件電路的設(shè)計(jì)部分包含主控制器、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊、步進(jìn)電機(jī)等器件的選型，同時(shí)對(duì)主控制器核心控制電路、傳感器接口、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊的電路集成設(shè)計(jì)。主控制器算法部分采用卡爾曼濾波，得到較為準(zhǔn)確的傳感器數(shù)據(jù)，再通過(guò)模糊PID算法，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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