基于STM32單片機(jī)的麥克納姆輪小車設(shè)計(jì)

摘? 要：本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的四輪驅(qū)動(dòng)智能小車，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)尋跡避障功能。小車以單片機(jī)為控制核心，外接穩(wěn)壓電源模塊、超聲波傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用超聲波傳感器作為小車的傳感器模塊來識(shí)別路面和障礙物信息;采用BTN7971驅(qū)動(dòng)芯片控制驅(qū)動(dòng)模塊，并不再使用傳統(tǒng)小車的普通驅(qū)動(dòng)輪，使用麥克納姆輪作為小車驅(qū)動(dòng)輪。使本設(shè)計(jì)中的小車可以原地旋轉(zhuǎn)、左右平移，更加適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，能夠快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。所設(shè)計(jì)的智能小車結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);智能小車;麥克納姆輪;超聲波避障

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）22-0174-03

Abstract：This design is based on STM32 single-chip microcomputer four-wheel drive intelligent car，can accurately achieve the track and obstacle avoidance function. The car takes microcontroller as the control core，and is externally connected with stable voltage power module，ultrasonic sensing module and motor driving module. Ultrasonic sensor is used as the sensor module of the car to identify road and obstacle information. BTN7971 driver chip is adopted to control the driver module，and the conventional car's ordinary drive wheel is no longer used，Mecanum wheel is used as the car's drive wheel. The car in this design can rotate in place and shift around，which is more suitable for complex environment and can achieve accurate obstacle avoidance in a fast and stable way. The intelligent car is simple in structure and easy to realize.

Keywords：STM32 microcontroller;intelligent car;Mecanum wheel;ultrasonic obstacle avoidance

0? 引? 言

當(dāng)下科技的發(fā)展迅速，智能小車發(fā)展飛快，智能小車也作為機(jī)器人行業(yè)的典型代表，在汽車、機(jī)械生產(chǎn)、以及物流運(yùn)輸行業(yè)里起到重要作用。本文所設(shè)計(jì)的四輪驅(qū)動(dòng)智能車對(duì)以往的普通驅(qū)動(dòng)輪做出了改進(jìn)，全部使用了麥克納姆輪，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)輸過程中遇到障礙物時(shí)能夠全方位地移動(dòng)，從而快速有效地實(shí)現(xiàn)避障。包括在很多道路復(fù)雜、障礙物多的情況下也可以憑借全方位移動(dòng)來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)避障功能。如今常見的智能小車分為紅外線避障和超聲波避障。紅外線傳感器有很多局限性，如不可測(cè)量距離、容易受到灰塵和強(qiáng)光的干擾;而超聲波傳感器可以測(cè)量距離，受溫度和光線影響小，比較穩(wěn)定，從而可大幅度增強(qiáng)其用于社會(huì)生產(chǎn)的能力。

1? 智能小車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

麥克納姆輪滾輪可以像傳統(tǒng)的車輪一樣前進(jìn)后退，也可以實(shí)現(xiàn)橫行、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合的運(yùn)動(dòng)方式。當(dāng)在工作運(yùn)輸環(huán)境十分狹窄的情況下，就能提供多種解決方案，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸工作。

本文所設(shè)計(jì)的四輪驅(qū)動(dòng)小車由四個(gè)電機(jī)分別控制四個(gè)輪子，減少了每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的負(fù)擔(dān)，相對(duì)于傳統(tǒng)的后輪驅(qū)動(dòng)小車，四輪驅(qū)動(dòng)保證小車有足夠的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)輪子使用的是麥克納姆輪。小車由STM32F103RC為核心驅(qū)動(dòng)，由電源模塊、超聲波感應(yīng)器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。如圖1所示為小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的大體結(jié)構(gòu)圖。

2? 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1? 智能小車的電源模塊

采用12V可充電鋰電池供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接由鋰電池提供12V的電壓，電源模塊使用的是XL2596穩(wěn)壓芯片，通過XL2596芯片穩(wěn)壓處理后輸出5V電壓提供給STM32單片機(jī)，能夠輸出穩(wěn)定電壓以保證電源模塊正常有效工作。這樣即使電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和控制系統(tǒng)不分開供電，也能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，減輕小車在電源上的承重壓力，為小車提供更大的驅(qū)動(dòng)力。

2.2? 智能小車的超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距原理：由單片機(jī)接超聲波探頭后IO口TRIG（控制口）觸發(fā)開始測(cè)距，能提供不低于10us的高電平信號(hào)，再通過超聲波模塊發(fā)送出8個(gè)40kHz的方波，自主檢測(cè)是否存在信號(hào)返回，如果有信號(hào)返回，通過IO口ECHO（接受口）輸出高電平，同時(shí)定時(shí)器打開，當(dāng)IO口ECHO再次輸出低電平時(shí)，定時(shí)器關(guān)閉，記錄定時(shí)時(shí)間t，就是超聲波從發(fā)射開始到返回結(jié)束的時(shí)間。

所測(cè)距離=聲速（340m/s）*t/2

利用超聲波測(cè)距可以大程度地避免光線、灰塵、煙霧對(duì)于信號(hào)接收的影響，同時(shí)超聲波模塊周期性發(fā)送信號(hào)測(cè)距，可準(zhǔn)確地將路面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)處理，使小車驅(qū)動(dòng)輪做出相應(yīng)的反應(yīng)。

2.3? 智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)所述智能車要想穩(wěn)定運(yùn)行，不僅要在電源模塊上做出改變，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面也要有所不同。采用麥克納姆輪，質(zhì)量較大、行駛平穩(wěn)、可以左右平移、原地旋轉(zhuǎn)，比傳統(tǒng)小車更靈敏自由。采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用12V寬電壓輸入電機(jī)，通電后電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1600r/min，小車空載時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)600r/min，電機(jī)減速比為1：30，車輪半徑為30mm。

當(dāng)遇到障礙物時(shí)，超聲波傳感檢測(cè)將障礙物的數(shù)據(jù)分析處理后傳送給STM32單片機(jī)，然后由STM32單片機(jī)依據(jù)所檢測(cè)到的各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果輸送給BTN7971驅(qū)動(dòng)芯片，從而來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)4個(gè)麥克納姆全向輪，使小車改變方向。

2.3.1? 麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)原理

驅(qū)動(dòng)輪示意圖如圖2所示。

當(dāng)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向前或向后運(yùn)動(dòng);

當(dāng)輪1和輪3向前運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4不動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向左前方45°平移;

當(dāng)輪1和輪3向后運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4不動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向右后方45°平移;

當(dāng)輪2和輪4向前運(yùn)動(dòng)，輪1和輪3不動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向右前方45°平移;

當(dāng)輪2和輪4向后運(yùn)動(dòng)，輪1和輪3不動(dòng)時(shí)，小車可實(shí)現(xiàn)向左后方45°平移;

當(dāng)輪1和輪3向前運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向左平移;

當(dāng)輪1和輪3向后運(yùn)動(dòng)，輪2和輪4向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車向右平移;

當(dāng)輪1和輪4向前運(yùn)動(dòng)，輪2和輪3向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);

當(dāng)輪1和輪4向后運(yùn)動(dòng)，輪2和輪3向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

通過單片機(jī)對(duì)四個(gè)電機(jī)的控制使得小車實(shí)現(xiàn)不同的操作。

2.3.2? 麥克納姆輪小車在特殊情況下的使用

（1）當(dāng)小車行駛至如圖3情景下時(shí)，道路寬度微大于小車的長度，傳統(tǒng)的小車幾乎不可能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而麥克納姆輪小車就可以憑借自身優(yōu)勢(shì)直接向右平移。通過這種復(fù)雜路段。

（2）當(dāng)遇到圖4（a）中情景時(shí)，傳感器會(huì)先將四周的障礙距離數(shù)據(jù)輸送給單片機(jī)，如圖4（b）所示，如果小車中心距側(cè)面距離L小于小車的對(duì)角線的一半S時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪使小車平行向左移動(dòng)，直到L大于S時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)小車原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，從而順利避開障礙物。

本文所設(shè)計(jì)的小車可以順利地解決在社會(huì)生產(chǎn)中所遇到的幾種特殊的運(yùn)輸情況，極大地提高生產(chǎn)效率。因?yàn)閷?shí)際環(huán)境是復(fù)雜多變的，所以最終的運(yùn)動(dòng)情況取決于控制算法和實(shí)際環(huán)境。

3? 小車的優(yōu)越性

本文所述麥克納姆輪小車的主要改進(jìn)點(diǎn)使在驅(qū)動(dòng)輪上，完全舍棄傳統(tǒng)小車的驅(qū)動(dòng)輪，使用四輪驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪。優(yōu)點(diǎn)在于靈活的全方位移動(dòng)、驅(qū)動(dòng)力大、穩(wěn)定性強(qiáng)、操作所需環(huán)境比傳統(tǒng)小車小。傳統(tǒng)小車在面對(duì)狹窄的彎道時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)彎的情況，本小車解決了這個(gè)問題;且本小車可以使用平移的方法通過復(fù)雜路段，大大減小了對(duì)小車長寬的要求;傳統(tǒng)小車在遇到急轉(zhuǎn)彎或者越過障礙物時(shí)車身不穩(wěn)定，本小車由于麥克納姆四輪驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在遇到急轉(zhuǎn)彎和障礙物時(shí)比傳統(tǒng)小車多了很多特殊的轉(zhuǎn)彎和避障方法，大大提高了小車行駛的穩(wěn)定性，保證小車的正常行駛。

本文設(shè)計(jì)的小車也可以給社會(huì)提供便利，在社會(huì)生產(chǎn)和運(yùn)輸中通常會(huì)遇到很多復(fù)雜的路段環(huán)境，導(dǎo)致無法正常進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)輸，降低效率。而新型的麥克納姆輪車，便可以在一些復(fù)雜路段中比傳統(tǒng)輪車更加靈活，更容易適應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)輸，提高社會(huì)生產(chǎn)力，所以在以后的社會(huì)生產(chǎn)中有很廣闊的應(yīng)用前景。

4? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)為基于STM32的以麥克納姆輪為驅(qū)動(dòng)輪的小車，小車可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)小車不能實(shí)現(xiàn)的平移、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作;采用測(cè)距精確、抗干擾性強(qiáng)的超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確傳輸;每個(gè)車輪都配備單獨(dú)的12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供了較大的驅(qū)動(dòng)輪。在本文列舉出的幾種特殊的傳統(tǒng)小車不容易快速實(shí)現(xiàn)避障功能的車道，所設(shè)計(jì)的麥克納姆輪小車可以通過幾個(gè)模塊間的配合自主實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)避障。雖然這種麥克納姆輪小車很多地方依然需要改進(jìn)，但其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，都有很大的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡介：孫全勝（1999.11-），男，漢族，安徽鳳臺(tái)人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。