一種新型的移動(dòng)機(jī)器人主控板設(shè)計(jì)

曾艷 王震生 王康 張雨新 常燕臣 董詩繪

摘要：

為了提升移動(dòng)機(jī)器人的工作效率，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的主控板，該主控板主要包括STM32處理器、MPU-6000板載運(yùn)動(dòng)處理組件、SBUS及PPM接收、TYPE-C通信、仿真、RS-485通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、FLASH及SRAM、供電、按鍵和顯示幾個(gè)模塊。各模塊分別與STM32處理器連接，驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊完成對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的有效控制。該主控板提供了豐富的專業(yè)外設(shè)接口，與傳統(tǒng)主控板相比，具有功能豐富、速度快、功耗小、體積大的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：

STM32;移動(dòng)機(jī)器人;主控板

中圖分類號(hào)：

TP242;TJ02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：

A

文章編號(hào)：

1672-9129（2020）15-0054-02

1引言

隨著機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，智能移動(dòng)機(jī)器人如智能倉庫機(jī)器人、大堂服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人等在工業(yè)和生活中得到了普遍應(yīng)用[1-2]。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的主要控制設(shè)備，主控板性能高低直接影響移動(dòng)機(jī)器人的功能應(yīng)用。傳統(tǒng)的主控板大都以51系列單片機(jī)為核心，但此類主控板受資源和功能的局限，在開發(fā)、成本控制、處理速度及復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)上難以協(xié)調(diào)，因此，目前很多主控板采用高性能、低成本、低功耗的STM32處理器來實(shí)現(xiàn)[3-5]。但是，大多數(shù)以STM32處理器為核心的移動(dòng)機(jī)器人的主控板接口只有通用輸入＼＼輸出接口，運(yùn)動(dòng)處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等需要依據(jù)系統(tǒng)功能應(yīng)用的要求進(jìn)行擴(kuò)展[6-7]，如此一來，需要耗費(fèi)很大精力選型外接功能模塊并設(shè)計(jì)接口電路，并很容易出現(xiàn)誤接現(xiàn)象。因此，非常有必要開發(fā)一種專門應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的主控板，使其能集成移動(dòng)機(jī)器人所需的功能，以方便應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種以STM32處理器為核心，專門應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的主控板，此主控板集成了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)處理模塊、SBUS及PPM接收模塊等，提供了專業(yè)外設(shè)接口，可以克服傳統(tǒng)主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點(diǎn)。

2主控板的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)主控板時(shí)考慮到新型主控板需要包括STM32處理器、MPU-6000板載運(yùn)動(dòng)處理組件、SBUS及PPM接收模塊、TYPE-C通信模塊、仿真模塊、RS-485通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、FLASH及SRAM模塊、供電模塊、按鍵模塊、顯示模塊。并且，各個(gè)模塊都要和STM32處理器連接。主控板的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。所設(shè)計(jì)的主控板優(yōu)選STM32F405RGT6處理器為控制核心。

2.1MPU-6000板載運(yùn)動(dòng)處理組件。主控板的MPU-6000板載運(yùn)動(dòng)處理組件電路，是一個(gè)運(yùn)動(dòng)處理的集成芯片。STM32處理器通訊引腳和MPU-6000芯片通訊引腳相連，STM32處理器PC2端口與MPU-6000芯片CS端口相連，輸出使能信號(hào)給MPU-6000芯片CS端口，STM32處理器PC3端口與MPU-6000芯片INT端口相連，輸出信號(hào)給MPU-6000芯片INT端口以初始化設(shè)備，STM32處理器PA5端口與MPU-6000芯片SCLK端口相連，輸出時(shí)鐘信號(hào)給MPU-6000芯片SCLK端口，此外，STM32處理器PA6端口與MPU-6000芯片SDO端口相連，STM32處理器PA7端口與MPU-6000芯片SDI端口相連，STM32處理器PC6端口接收MPU-6000芯片運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)通訊，可以實(shí)時(shí)查看機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，控制機(jī)器人運(yùn)行軌跡。

2.2SBUS及PPM接收電路。在本設(shè)計(jì)中，SBUS及PPM接收電路主要由取反電路構(gòu)成，主要功能是對(duì)SBUS信號(hào)取反。由于SBUS采用負(fù)邏輯，接收和發(fā)送需要硬件取反，模塊內(nèi)部需集成限流功能的電阻和取反功能的三級(jí)管構(gòu)成硬件邏輯取反電路。此外，接收電路最多可解析出16路PWM信號(hào)。通過接收信號(hào)，便可手動(dòng)實(shí)時(shí)控制移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)。其中，限流電阻選用10KΩ的貼片電阻，三極管選用貼片三極管SS8050。

2.3TYPE-C通信模塊設(shè)計(jì)。TYPE-C通信模塊一共24個(gè)引腳，分別為4個(gè)GND、2對(duì)TX/RX引腳、2個(gè)CC引腳、4個(gè)地線引腳、4個(gè)VBUS引腳、兩個(gè)SBU引腳、2對(duì)USBD+/D-引腳。每個(gè)引腳都有不同作用，且支持正反插。4個(gè)VBUS和4個(gè)GND，負(fù)責(zé)傳送電力，支持雙向功率傳輸。CC1/CC2引腳，它的作用有檢測(cè)正反插。2對(duì)TX/RX引腳，一般情況下，USB3.1只用到差分線作為數(shù)據(jù)線，正插時(shí)連接TX1/RX1，反插時(shí)連接TX2/RX2，會(huì)有2對(duì)差分線是沒有被使用的，DP交替模式就是把DP信號(hào)加載到這2對(duì)多余的差分線上，從而實(shí)現(xiàn)USB3.1+DP同時(shí)工作。當(dāng)然，如果接收端只需要DP信號(hào)，不需要USB3.1信號(hào)，那DP可以利用全部4對(duì)TX/RX差分線做輸出。2個(gè)CC引腳是用來判斷設(shè)備插入的方向，如果是正插，主機(jī)使用CC1來和設(shè)備通訊，反插則使用CC2。兩個(gè)SBU引腳，在DP功能開啟時(shí)，可以用作DP協(xié)議中的AUX_P/AUX_N差分線，它的極性是可以根據(jù)正反插方向修改的，負(fù)責(zé)傳輸設(shè)備的DPCD，EDID等關(guān)鍵信息。USBD+/D-引腳供USB2.0設(shè)備使用。本設(shè)計(jì)中，TYPE-C外接設(shè)備優(yōu)先連接攝像頭，通過TYPE-C通信將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)采集的圖片傳到STM32處理器，STM32處理器處理后，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)尋跡、避障、路徑規(guī)劃等等。此外，TYPE-C模塊所用的識(shí)別電阻優(yōu)選0805貼片1.5KΩ電阻。

2.4仿真模塊?；赟TM32的新型主控板的仿真模塊，插入仿真器，配合集成開發(fā)環(huán)境，使用仿真器可以對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，跟蹤程序執(zhí)行情況，同時(shí)還可以對(duì)硬件電路進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)試。在本設(shè)計(jì)中，選擇SEGGER公司的J-LINK仿真器V9.40用于芯片內(nèi)部測(cè)試，J-LINK仿真器采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE1149.1兼容），支持ADS、IAR、KEIL開發(fā)環(huán)境，最大下載速度提升到1MByte/s。仿真模塊接口分別為TMS、TCK、TDI、TDO四線，編程方式是在線編程，可大大加快調(diào)試進(jìn)度。

2.5RS-485通信模塊。在本設(shè)計(jì)中，通信協(xié)議采用RS485協(xié)議，隸屬于OSI模型物理層的電氣特性規(guī)定為2線，半雙工，多點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)。其具有接口電平低，傳輸速率高，抗干擾能力高，傳輸距離遠(yuǎn)，支持節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)。RS485通信模塊選用的是MAX3485芯片，特點(diǎn)是體積較小、工作穩(wěn)定可靠

。

2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。本模塊主要包括光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、H橋功率驅(qū)動(dòng)電路。STM32處理器給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入的信號(hào)主要有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)、電機(jī)調(diào)速信號(hào)、電機(jī)制動(dòng)等信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，所述光耦電路選用TLP280-4光耦芯片，該芯片是一塊超小且超薄的耦合器，適用于貼片安裝。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大器三極管選用2N5551三極管，所述H橋功率驅(qū)動(dòng)電路MOS管選用IRF540NPBFMOS場(chǎng)效應(yīng)管。

2.7FLASH及SRAM模塊。FLASH及SRAM模塊電路包括外部FLASH與外部SRAM，外部SRAM、FLASH與STM32處理器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。在本設(shè)計(jì)中，外部FLASH選用體積小，容量大，可靠性高的MX25L1606E芯片，存儲(chǔ)空間為8M，作為大容量的程序存儲(chǔ)器。外部SRAM選用FM25CL64芯片，存儲(chǔ)空間為2M，具有掉電非易失，隨時(shí)存儲(chǔ)記憶功能。

2.8供電模塊。所設(shè)計(jì)主控板的供電模塊電路，首先由外部獨(dú)立開關(guān)電源模塊提供直流5V電源，通過濾波電路傳向5V轉(zhuǎn)3.3V模塊芯片，再次進(jìn)行濾波電路，向3.3V電源指示燈供電，最后，向STM32處理器提供穩(wěn)定的3.3V電壓。在本設(shè)計(jì)中，利用CJA1117三端穩(wěn)壓器將5V轉(zhuǎn)3.3V，該芯片體積小、轉(zhuǎn)換效率高，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

2.9按鍵模塊。本模塊電路主要由復(fù)位按鍵、功能按鍵、復(fù)位電容、上拉電阻構(gòu)成。復(fù)位按鍵并聯(lián)復(fù)位電容。各個(gè)按鍵并聯(lián)，且共同連接上位電阻，按鍵按下為低電平輸入有效，斷開默認(rèn)為高電平輸入。STM32處理器復(fù)位輸入引腳接一個(gè)電容至3.3V電源端，下接一個(gè)上拉電阻。首次上電，STM32處理器復(fù)位端會(huì)出現(xiàn)一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，之后高電平信號(hào)隨著復(fù)位電容的充電過程而逐漸回落，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位。此外，可以手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，十毫秒后，STM32處理器系統(tǒng)復(fù)位。按下功能按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在本設(shè)計(jì)中，按鈕優(yōu)先選用4腳立式6*6*5微動(dòng)開關(guān)，復(fù)位電容優(yōu)先選用0805陶瓷貼片電容，規(guī)格為0.1uF，上拉電阻優(yōu)先選用0805貼片10KΩ電阻。

2.10顯示模塊。顯示模塊電路主要由發(fā)光二極管和電阻構(gòu)成。功能包括電源指示，運(yùn)行指示，錯(cuò)誤指示。電源指示由發(fā)光二極管串聯(lián)限流電阻后并聯(lián)在電源上。運(yùn)行指示和錯(cuò)誤指示連接STM32處理器通用輸出接口，通過STM32處理器通用輸出接口控制運(yùn)行指示，錯(cuò)誤指示。運(yùn)行指示和錯(cuò)誤指示另一端連接3.3V電源。對(duì)維修服務(wù)人員排查故障起到重要的作用。在本設(shè)計(jì)中，限流電阻優(yōu)選0805貼片1KΩ電阻，電源指示優(yōu)選紅色0402貼片發(fā)光二極管，運(yùn)行指示優(yōu)選綠色0402貼片發(fā)光二極管，錯(cuò)誤指示優(yōu)選黃色0402貼片發(fā)光二極管。

3總結(jié)

在本設(shè)計(jì)中所設(shè)計(jì)的主控板，可以串口方式發(fā)射指定運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。通過SBUS及PPM接收器，實(shí)時(shí)手動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。通信模塊包含兩個(gè)串口通訊引腳，可以外接設(shè)備使機(jī)器人達(dá)到尋跡、避障、路徑規(guī)劃。仿真模塊能夠?qū)σ苿?dòng)機(jī)器人的功能調(diào)試。能夠在STM32處理器與手持終端進(jìn)行通信收發(fā)。并能夠?qū)﹄娫?、運(yùn)行情況及錯(cuò)誤信息進(jìn)行顯示，當(dāng)接入電源時(shí)，所述電源發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，所述運(yùn)行發(fā)光二極管發(fā)光，當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，所述錯(cuò)誤發(fā)光二極管閃爍。

真實(shí)的設(shè)計(jì)實(shí)物尺寸僅為36mm*36mm*0.4mm，覆銅導(dǎo)線及孔徑采用毫米級(jí)，自然風(fēng)散熱系統(tǒng)，中間為STM32處理器，其他模塊分布四周，主控板整體占用空間極小，預(yù)留4個(gè)3M定位孔用于固定。固定選用4個(gè)3M銅柱用于安裝固定，并加裝減震球降低機(jī)械抖動(dòng)，可有效克服傳統(tǒng)主控板功能少、速度慢、功耗大、體積大的缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹風(fēng)魁，莊嚴(yán)，閆飛，等.移動(dòng)機(jī)器人長(zhǎng)期自主環(huán)境適應(yīng)研究進(jìn)展和展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2020，46（2）.

[2]吳姝源.智能控制及移動(dòng)機(jī)器人研究進(jìn)展[J].信息與電腦（理論版），2018，No.402（08）：132-134.

[3]曹沖振，梁世友，王鳳芹，等.基于STM32的可遙控智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2020，v.10（03）：266-269+272.

[4]王超杰，蘇中，連曉峰，等.自主柔性變形蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015（06）：118-120+128.

[5]李艷，周瑩亮，李可可.基于STM32的移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)自動(dòng)跟隨系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2019，042（002）：403-410.

[6]李世光，楊曉雷.基于STM32的智能巡線象棋機(jī)器人[J].測(cè)試科學(xué)與儀器，2014（2）.

[7]陳昌雄，李廣球，李廣灝，等.基于差速驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人路徑控制[J].裝備制造技術(shù)，2015（8）：69-71.

作者簡(jiǎn)介：曾艷（1987-5）女，民族：漢，河北邢臺(tái)人，唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)視覺。

通訊作者：王震生（1976-08）男，民族：漢，河北唐山人，唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程碩士學(xué)位，主要研究方向：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。