基于STM32的循跡足球機器人設(shè)計

胡徐勝，李賽紅，陶彬彬

基于STM32的循跡足球機器人設(shè)計

胡徐勝，李賽紅，陶彬彬

（無人機開發(fā)及數(shù)據(jù)應(yīng)用安徽高校聯(lián)合重點實驗室 皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山，243031）

設(shè)計一種基于STM32的循跡足球機器人控制系統(tǒng)，分別對循跡足球機器人電源、最小系統(tǒng)等各硬件模塊進行設(shè)計實現(xiàn)。在電源設(shè)計上實現(xiàn)了一個可以給最小系統(tǒng)板提供電源的microUSB接口，以方便在調(diào)試時無需外接電源。最后設(shè)計硬件成功，并進行了各項性能的測試。測試結(jié)果表明，本設(shè)計控制效果較好。

stm32；循跡；電機控制；圖像處理

本文提出了一個基于STM32f103為控制器[1]，通過OV7670傳感器采集外界信息以及障礙物的智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案，以實現(xiàn)對智能循跡小車的設(shè)計[2]。充分利用控制器的高速運算能力和處理能力，來實現(xiàn)循跡足球機器人按照規(guī)定路線行駛，以控制器自身具有的PWM波輸出功能來控制電機轉(zhuǎn)速從而達到轉(zhuǎn)向等功能[3]。設(shè)計并制作具優(yōu)秀硬件與軟件系統(tǒng)的移動機器人，在特定的越野場地上，翻越不同的障礙[4]。

1 硬件設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

本文所設(shè)計的足球機器人能夠沿白色引導(dǎo)線跑[5]。引導(dǎo)線寬度約 25~30 mm，引導(dǎo)線覆蓋障礙物，障礙物為黑色小車能夠識別障礙物并且能夠跨越障礙物。圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1 整體設(shè)計系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)是通過圖像傳感器識別白色路徑，采用DAM方式采集視頻圖像信號經(jīng)過圖像二值化傳輸?shù)絊TM32f103控制器進行處理，通過PID調(diào)節(jié)出來的PWM波的占空比來控制小車速度，以左右輪的PWM波占空比的不同實現(xiàn)左右電機轉(zhuǎn)速的不同從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的[6]。此外，本設(shè)計采用減速電機，能夠檢測小車速度反饋給控制器實現(xiàn)實時控制足球機器人的速度，在不同的路面上實現(xiàn)不同速度行駛以確保足球機器人的平穩(wěn)，整個系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)從而達到整個系統(tǒng)的精確控制[7]。

足球機器人首先通過圖像傳感器檢測路面上的白線，將檢測到的路面信息發(fā)生給STM32f103微處理器[8]，STM32f103微處理器將圖像傳感器檢測到的路面信息經(jīng)過分處理、分析和決策，最后得出PID參數(shù)來控制電機轉(zhuǎn)速，確定足球機器人的方向以及接下來的行駛路線[9]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用STM32為本系統(tǒng)的主控制模塊，使用CMOS攝像頭作為路徑識別的傳感器[10]。通過CMOS攝像頭采集路徑上顏色信息再由STM32片上AD轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，經(jīng)過MCU進行分析和判別，最后實現(xiàn)對循跡足球機器人直流電機的控制從而實現(xiàn)循跡越野的目的。一個系統(tǒng)的硬件是該系統(tǒng)的最基本的結(jié)構(gòu)，決定一個系統(tǒng)的運行是否穩(wěn)定，所以在設(shè)計該系統(tǒng)是充分考慮該系統(tǒng)的穩(wěn)定性使小車的行駛速度更快更穩(wěn)定，并且在圖2基礎(chǔ)上選擇最佳的模塊[11]。圖2為系統(tǒng)硬件框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

首先，STM32外設(shè)接口特別豐富和強大的儲存空間這使得能夠拓展外接設(shè)備。其次，它的程序編寫只要使用C語言加上STM32的Thumb-2的指令集就可以，使得程序編寫更加方便、運行更高效[12]。

1.3 電路設(shè)計

1.3.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計

根據(jù)單片機最小系統(tǒng)先把電源、晶振以及復(fù)位先設(shè)計在一起，只要這三個部分搭建好單片機就可以運行了。電源芯片采用的是AMS1117-3.3降壓穩(wěn)壓芯片，整個電路板的輸入5 V電壓通過AMS1117-3.3芯片降到3.3 V為STM32芯片提供電壓。為了后面連接其他模塊，在設(shè)計時預(yù)留了5 V和3.3 V的電源接口[13]。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

最小系統(tǒng)如圖3所示。特別之處在于，圖3設(shè)計了一個可以給最小系統(tǒng)板提供電源的microUSB接口，以方便在調(diào)試時無需外接電源。另外，還設(shè)有USB轉(zhuǎn)串口的接口，以便于程序的下載[14]。

1.3.2 JTAG和SWD電路設(shè)計

調(diào)試作為本設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，所以調(diào)試接口是必須要有的，一般有JTAG和SWD兩種模式。JTAG主要用于芯片內(nèi)部的測試，JTAG協(xié)議使用的是并口，需要用到JLink仿真器即一個小型USB到JTAG的轉(zhuǎn)換盒，它連接到計算機用的是USB接口。SWD接口是串行接口，使用的引腳也很少。在JTAG和SWD兩個模式相比之下，普通模式下JTAG更好用，在高速模式下SWD模式更可靠，而在大數(shù)據(jù)量的情況下JTAG下載程序會失敗。圖4為JTAG調(diào)試接口的原理圖。

圖4 JTAG調(diào)試接口原理圖

1.3.3 LED指示燈與按鍵電路設(shè)計

為了確定在接通電源和單片機程序運行時是否正常，在設(shè)計時加入了兩個LED指示燈，分別為命名為power和function，其中在系統(tǒng)板接通電源時power這個指示燈亮起，而在燒入程序后運行程序后function指示燈閃爍。LED指示燈原理圖如圖5所示。

圖5 LED指示燈原理圖

按鍵是不可缺少的一部分，所有單片機都必須存在的按鍵就是復(fù)位鍵，復(fù)位鍵為了在程序運行過程中出現(xiàn)故障時能夠在不掉電狀況下使其回到初始狀態(tài)，S2這個按鍵就是作為復(fù)位鍵來使用[15]。S1作為普通按鍵來使用，可配合編寫好的程序來使用或者用來調(diào)試時來使用。按鍵設(shè)計原理圖如圖6所示。

圖6 按鍵原理圖

1.3.4 microUSB電路設(shè)計

由于STM32芯片有USB端口分別為USB_DM和USB_DP，所以在microUSB接口設(shè)計時只需要接入電阻就可以了[16]。對于USB_DP端口要加入上拉電阻，因為在USB接入host時如果是高速設(shè)時D+被拉高D-保持不變，在上拉過程中需要大概2.5 μs的時間，host這個時間內(nèi)便檢測到了該信號[17]。圖7為microUSB電路設(shè)計原理圖。

圖7 microUSB原理圖

1.3.5 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用LM2596S為芯片的降壓模塊，這個模塊可以將3.3 V到40 V降到1.25 V到35 V。由于電池的電壓為12 V，而整個系統(tǒng)的接入的電壓為5 V，通過調(diào)節(jié)電阻的阻值從而得到需要的電壓[18]。輸出電壓的計算可以由下列公式得出：

其中，ref=1.23 V需要的電壓為5 V，所以根據(jù)輸出電壓計算出2所需要的電阻：

其硬件電路如圖8。

圖8 LM2596S降壓模塊原理圖

1.4 電機驅(qū)動模塊

系統(tǒng)采用MOS管H橋電機驅(qū)動模塊用來實現(xiàn)直流減速電機的運轉(zhuǎn)。市場上現(xiàn)有常見電機模塊有下面幾款，比如MOS管H全橋和L298N。最常用的是H橋驅(qū)動芯片L298N，通過單片機的IO口輸入芯片控制端的電平，即可以控制電機進行正反轉(zhuǎn)、停止的操作。H橋電機驅(qū)動是由于它的外形與字母H相似，它是由四個三極管組成由兩個對角線的電流導(dǎo)通來控制電機的正反轉(zhuǎn)，本設(shè)計采用的是MOS管H全橋驅(qū)動電路，如圖9所示。

圖9 H橋驅(qū)動電路

1.5 OV7670圖像傳感器電路設(shè)計

OV7670圖像傳感器以O(shè)V7670為主控芯片，擁有20個引腳。這款芯片需要數(shù)字電源和模擬電源，其中AVDD為模擬電源，DVDD是OV7670芯片的核電壓，需要1.8 V數(shù)字電源供電，而且這款芯片輸入輸出口也需要單獨供電，其供電電壓為1.7 V到3 V供電。

由于在模塊外部供電為3.3 V，所以整個模塊中使用了兩塊降壓芯片，分別為PAM3101DAB28和PAM3101DAB180，PAM3101DAB28芯片將3.3 V降壓成2.8 V給輸入輸出口供電，PAM3101DAB180芯片將2.8 V降壓到1.8 V為了給OV7670芯片的核電壓供電。圖10為OV7670模塊電路設(shè)計原理圖。

圖10 OV7670模塊電路原理圖

2 硬件實現(xiàn)

2.1 循跡足球機器人系統(tǒng)搭建

為了進一步確定循跡足球機器人系統(tǒng)是否可行，在實驗室構(gòu)建了這個循跡足球機器人，足球機器人使用的主要模塊包括藍牙模塊、電機驅(qū)動模塊和OV7670圖像傳感器模塊，圖11為藍牙模塊，圖12為電機驅(qū)動模塊，圖13為圖像傳感器模塊，圖14為STM32VCT6主控制器的最小系統(tǒng)。

圖11 藍牙模塊

圖12 電機驅(qū)動模塊

圖13 圖像傳感器模塊

圖14 主控制器

2.2 循跡足球機器人系統(tǒng)的測試

測試部分就是對足球機器人系統(tǒng)的每一個模塊進行檢測，測試過程分為以下幾個部分：

（1）給各個模塊通電，使每個模塊正常工作；

（2）圖像識別測試。此次才用圖像識別測試是將循跡程序燒錄至主控制器，然后接入顯示器模塊，通過查看顯示器模塊能否顯示出圖像以及能否檢測出顏色。這個測試方法比較麻煩，需要對顯示器模塊進行編程；

（3）電機驅(qū)動測試。電機驅(qū)動測試比較簡單，在燒錄程序后運行主控制器，在PWM輸出引腳接上示波器觀測示波器上的波形。然后接入電機驅(qū)動模塊以及直流電機，查看電機的轉(zhuǎn)動。

2.3 測試結(jié)果

根據(jù)測試，得到測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試數(shù)據(jù)表明，足球機器人在各項指標上都表現(xiàn)良好。

表1 測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本設(shè)計以STM32為主控制器，以O(shè)V7670圖像傳感器模塊和電機驅(qū)動模塊的循跡越野足球機器人，該設(shè)計實現(xiàn)了對循跡越野足球機器人的循跡功能，具有成本低和功能實用等特點。測試結(jié)果表明，本設(shè)計控制效果較好。

[1] 雷李, 李祖樞, 王牛. 國際機器人足球最新進展[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2004, 36(7): 978-980.

[2] 陳小平．國際機器人足球(RoboCup)最新進展[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用, 2001,1: 25-28.

[3] Ohnishi N, Imiya A. Ap pearance-based navigation and homing for autonomous mobile robot[J]. Image and Vision Computing. 2013, 31(6): 511-532.

[4] Colle E, Galerne S. Mobile robot localization by multiangulation using set inversion[J]. Robotics and Autonomous Systems, 2013, 61(1): 39-48.

[5] KitanoHetal. RoboCup: A Challenge Problem for AL Proceedings of RoboCup’97[M]. Spinger Press, 1997.

[6] Murphy R. Mirosot’ 97-Robotics competition corner[J]. Robotics and Autonomous System, 1998, 23: 251-281.

[7] 呂強國. 集控式足球機器人的系統(tǒng)開發(fā)研究[J]. 自動化與儀器儀表, 2016(5): 84-85.

[8] 洪炳熔, 韓學(xué)東, 孟偉. 機器人足球比賽研究[J]. 機器人, 2003, 25(4): 373-377.

[9] 謝云, 楊宜民, 彭超. 型機器人足球系統(tǒng)中通信子系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子技術(shù), 2001, 8: 19-21.

[10] 蔡自興, 賀漢根, 陳虹. 未知環(huán)境中移動機器人導(dǎo)航控制研究的若干問題[J]. 控制與決策, 2002, 17(4)：385-390.

[11] 王偉, 張晶濤, 柴天佑. PID參數(shù)先進整定方法綜述[J].自動化學(xué)報, 2000, 26(3): 347-355.

[12] 蔣仙華, 熊蓉, 周科．預(yù)測模糊控制在足球機器人底層動作優(yōu)化中的應(yīng)用[J]．四川大學(xué)學(xué)報: 工程科學(xué)版, 2003, 35(3): 79-82.

[13] 高健, 黃心漢, 彭剛, 等. 基于Fuzzy-PID的移動機器人運動控制[J]. 控制工程, 2004, 11(6): 525-528.

[14] HEMAMIA, MEHRBI M G, CHENG R M. Synthesis for an optimal control law for path tracking in mobile robots[J]. Auto Matica, 1992, 28(2): 383-387.

[15] 余群明, 王會方, 張駿, 等. 足球機器人運動控制算法研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2006, 33(6): 42-45.

[16] 張健民, 楊華勇, 路甬祥. 基于工程參定法的模糊PID[J]. 信息與控制, 1998, 27(22): 66-70.

[17] 張恩勤, 施頌椒. 一類基于PID控制的新型模糊控制方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報, 2000, 34(3): 630-634.

[18] 王亞剛, 邵惠鶴. 一種基于靈敏度的自整定最優(yōu)PI控制器[J]. 自動化學(xué)報, 2001, 27(1): 140-143.

Design of Track-based Soccer Robot Based on STM32

HU Xu-sheng, LI Sai-hong, TAO Bin-bin

（Anhui University Joint Key Laboratory for UAV Development and Data Application，WanJiang University of Technology, Ma’anshan, 243031,China）

This paper designs a tracking soccer robot control system based on stm32, and designs and implements the power supply, minimum system and other hardware templates of the tracking soccer robot. A microUSB interface which can supply power to the smallest system board is implemented in power supply design to facilitate debugging without external power supply. Finally, the hardware is successfully designed and tested. The test results show that the control effect of this design is good.

stm 32; tracking; motor control; image processing

TP273

A

1674-3261(2020)01-0018-04

10.15916/j.issn1674-3261.2020.01.0004

2019-06-19

安徽省高校省級自然科學(xué)研究重點項目（KJ2018A0618）；皖江工學(xué)院基金項目(KJ2019A1275)；皖江工學(xué)院校級 科研項目（WG1804）

胡徐勝（1982-），男，安徽太湖縣人，副教授，碩士。

優(yōu)先出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1567.T.20191227.1039.016.html

責(zé)任編校：劉亞兵