基于STM32 的智能交互式平衡小車

黃志芳，陳澤銳，何梓杰，宋世杰

（嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東梅州 514015）

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)于機(jī)器人使用的要求和智能化也越來(lái)越高，機(jī)器人如何更好地結(jié)合人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)滿足各行各業(yè)的需求已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1-2]。智能小車作為小型智能機(jī)器人，其機(jī)動(dòng)靈活、操作方便，車上可集成各種精密傳感器，其避障功能確保了小車在行駛中能夠避免發(fā)生碰撞、碰擦，是智能小車的重要組成部分。智能小車是人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，并在無(wú)人駕駛汽車和智能掃地機(jī)器人中起著重要作用[3-6]?？刂葡到y(tǒng)是智能小車的關(guān)鍵部分，可以根據(jù)預(yù)定的軌跡在復(fù)雜的環(huán)境中行駛，實(shí)現(xiàn)小車的速度和位置控制，完成指定的任務(wù)，并在智能小車系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位[7-9]。傳統(tǒng)的智能小車是一種四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，四輪驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致了智能小車體積較大，在比較狹窄空間中的轉(zhuǎn)彎性、行動(dòng)性會(huì)受到較大限制，遇到石塊、坑洼障礙物時(shí)會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)智能小車脫困能力較差[10]。為此，文中設(shè)計(jì)了兩輪獨(dú)立的智能交互式平衡小車，以MPU6050 陀螺儀感知小車的平衡狀態(tài)，以TB6612 電機(jī)來(lái)控制兩輪差速值，從而達(dá)到小車自平衡，可應(yīng)用于消防、無(wú)人巡查、娛樂等領(lǐng)域。

1 整體方案設(shè)計(jì)

基于STM32 的智能交互式平衡小車是由硬件部分、軟件部分和各個(gè)模塊構(gòu)成的。硬件電路中SMT32F103 與STM32F429 系列芯片作為主控芯片，分為上下兩層，STM32F429 為上層主控芯片，SMT32F103 為下層主控芯片。上層主要用于圖像處理以及處理超聲波、語(yǔ)音模塊、WIFI，作為平衡車的“大腦”；下層為控制小車的主控板，作為平衡車的行動(dòng)支架。兩塊芯片采用串口方式進(jìn)行通信，通過(guò)上層控制下層小車的運(yùn)行，硬件連接如圖1 所示。

圖1 硬件連接圖

使用者通過(guò)語(yǔ)音控制模塊識(shí)別查詢天氣指令，將WIFI 模塊連接到服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器得到所處位置的相關(guān)氣象信息，并且將獲取的信息進(jìn)行解碼和編譯，發(fā)送到語(yǔ)音模塊進(jìn)行播放。

使用者還可以通過(guò)語(yǔ)音模塊控制平衡車的平衡和動(dòng)作狀態(tài)，通過(guò)語(yǔ)音控制平衡車處于休息或跟蹤追尋狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入休息狀態(tài)時(shí)，使用者可以隨時(shí)喚醒平衡車進(jìn)入跟隨狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入跟隨狀態(tài)時(shí)，通過(guò)圖像識(shí)別和處理，可以實(shí)現(xiàn)平衡車實(shí)時(shí)跟蹤使用者所佩戴的具有紅外功能的手套，實(shí)現(xiàn)跟蹤追尋使用者的功能。

上層主控芯片通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊SYN7318 識(shí)別使用者的語(yǔ)音控制指令，攝像頭OV5640 用于采集圖像，通過(guò)識(shí)別算法計(jì)算出紅光的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而判斷小車的運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨、巡查功能。WIFI模塊通過(guò)連接手機(jī)熱點(diǎn)，即可連接上服務(wù)器，并且可以查詢到當(dāng)天某個(gè)地區(qū)的天氣情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以STM32F429 與STM32F103 兩塊單片機(jī)作為核心控制芯片，兩個(gè)芯片之間的協(xié)調(diào)通信采用串口通信。STM32F429 連接OV5640 攝像頭、SYN7318 語(yǔ)音模塊、WIFI 模塊、超聲波模塊，作為平衡小車的核心“大腦”，攝像頭采集具有紅外功能的手套信息，并鎖定圖像信息，作為跟隨的指示信息。語(yǔ)音模塊隨時(shí)接收使用者的語(yǔ)音指令，對(duì)語(yǔ)音指令進(jìn)行解析，并把解析結(jié)果傳輸?shù)狡胶庑≤嚨暮诵目刂菩酒?。WIFI 模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的連接，用于查詢相關(guān)天氣信息和語(yǔ)音信息。超聲波模塊用于探測(cè)平衡小車周邊障礙物的信息，根據(jù)探測(cè)的信息來(lái)控制下層芯片，下層芯片根據(jù)小車反饋的周邊障礙物的距離信息來(lái)調(diào)整陀螺儀、電機(jī)的操作。STM32F103 連接MPU6050 陀螺儀,TB6612 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制整輛小車行駛的速度[11-12]。平衡小車通過(guò)5 000 mA，12 V 電池進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路來(lái)保證其供電穩(wěn)定，平衡小車的實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 平衡小車實(shí)物圖

2.1 STM32F429與STM32F103主控芯片

STM32F429 是一款目前市場(chǎng)上主流的核心控制芯片，具有速度快、穩(wěn)定性高、存儲(chǔ)容量大等強(qiáng)大的功能[13]。該項(xiàng)目采用該芯片進(jìn)行圖像存儲(chǔ)以及處理，能夠更好地提高整體小車跟蹤的靈敏度和準(zhǔn)確性，其最小系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。

圖3 STM32F429最小系統(tǒng)原理圖

STM32F系列是32位的ARM微控制器，內(nèi)核采用Cortex-M3，內(nèi)部集成了定時(shí)器、CAN、ADC、SPI 等多種外設(shè)功能，能夠滿足一些項(xiàng)目的需求。

2.2 OV5640攝像頭

OV5640 是一款500W 像素的高清攝像頭，采用一顆2 592*1 944 分辨率的傳感器，該模塊內(nèi)部集成了具有自動(dòng)對(duì)焦功能的兩個(gè)功率為1 W 的高亮LED閃光燈，能夠?qū)崿F(xiàn)在暗光下拍攝的需求，具有較高的性價(jià)比[14]。設(shè)計(jì)時(shí)在攝像頭前裝置了一個(gè)濾光片，從而使攝像頭只拍攝到紅外光。經(jīng)過(guò)對(duì)圖片的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特征點(diǎn)的追尋，原理圖如圖4 所示。

圖4 OV5640攝像頭原理圖

2.3 SYN7318語(yǔ)音模塊

SYN7318 語(yǔ)音模塊集成了語(yǔ)音識(shí)別、喚醒、播放等功能，通過(guò)串口通訊方式接受命令，擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和使用場(chǎng)景，可內(nèi)置客戶應(yīng)用程序，廣泛應(yīng)用于車載GPS 調(diào)度終端、插卡音箱、點(diǎn)讀機(jī)、智能儀表等領(lǐng)域。模塊的TXD、RXD 分別與STM32 主控芯片串口1 的RXD、TXD 相連，從而進(jìn)行通信和傳輸數(shù)據(jù)。

2.4 MG90S舵機(jī)

MG90S 是一款通過(guò)PWM 進(jìn)行控制的舵機(jī)，通過(guò)調(diào)整占空比的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其旋轉(zhuǎn)角度的改變，采用5 V 電壓進(jìn)行供電。設(shè)計(jì)所采用的舵機(jī)是金屬型舵機(jī)，能夠增加其穩(wěn)定性，相比于塑料舵機(jī)使用時(shí)間更長(zhǎng)。平衡小車主要通過(guò)云臺(tái)搭載兩個(gè)舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭拍攝角度的控制，使得小車在無(wú)光源的情況下順利找到光源。

2.5 MPU6050芯片

MPU6050 是一款同時(shí)帶有陀螺儀和加速度傳感器的芯片[15]，平衡小車使用一個(gè)MPU6050 芯片的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，該模塊主要通過(guò)IIC 總線進(jìn)行通信，其內(nèi)部自帶了16 位的A/D 轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)角度的高精度轉(zhuǎn)換，以滿足用戶需求；并且，由于該模塊可以快速準(zhǔn)確追蹤角速度以及其工作電壓范圍廣的特點(diǎn)，因此可應(yīng)用于不同的工作環(huán)境。平衡小車通過(guò)該模塊來(lái)獲取小車當(dāng)前的傾斜角度以及加速度，對(duì)這兩個(gè)信息進(jìn)行分析，再通過(guò)PID 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小車的平衡以及運(yùn)動(dòng)。

2.6 TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)

TB6612 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一款用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的模塊，其具有兩個(gè)通道輸出，可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)可輸出1.2 A 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)的峰值電流可達(dá)2 A/3.2 A，能夠滿足大部分電機(jī)的需求，并且可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)以及制動(dòng)的功能，具有低壓檢測(cè)電路和熱停機(jī)保護(hù)電路，能夠有效保護(hù)電源和電路[15]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖5 所示。

圖5 TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.7 減速直流電機(jī)

減速直流電機(jī)主要是在普通直流電機(jī)的基礎(chǔ)上再配備了齒輪減速箱，其主要作用是提供較大的力矩和較低的轉(zhuǎn)速。該減速直流電機(jī)通過(guò)齒輪箱不同的減速比獲得不同的轉(zhuǎn)速和力矩，顯著擴(kuò)大了直流電機(jī)的使用范圍[16]。文中選用減速直流電機(jī)控制整個(gè)小車的行走以及平衡，通過(guò)控制PWM 占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)減速電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

主程序流程圖包括上層板和下層板主程序流程圖，上層板主要為圖像識(shí)別，下層板主要接收上層板的指令，控制小車的平衡和行走。上層板主程序流程圖首先通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊以及內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，控制云臺(tái)平躺，并且發(fā)送指令控制小車停止，接著進(jìn)入主循環(huán)，獲取光源。若有光源，則進(jìn)入對(duì)準(zhǔn)光源模式；若無(wú)，則進(jìn)入尋光模式。上層板的主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 上層板主程序流程圖

下層板首先對(duì)各個(gè)外設(shè)以及內(nèi)部資源進(jìn)行初始化，控制小車保持直立的狀態(tài)，接著進(jìn)入主循環(huán)，當(dāng)接收到控制小車的指令后，小車將做出相應(yīng)的動(dòng)作。攝像頭捕捉到紅光后，還需將紅光校準(zhǔn)至中心點(diǎn)，因此將此任務(wù)分為一個(gè)子函數(shù)。當(dāng)確定捕捉到紅光后，先判斷紅光是否處于X、Y軸上，若是，則判斷處于X、Y軸的正負(fù)半軸，然后發(fā)送指令給下層小車控制板；若否，則獲取該紅光與中心軸的角度及所屬象限，再獲取超聲波距離，當(dāng)前景條件滿足且需要前行時(shí)則發(fā)送指令給下層小車控制板。

3.2 跟隨紅光流程

由于小車開始可能與紅光的距離很遠(yuǎn)，因此若要靠近紅光，則需要在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)考慮紅光的距離與小車的運(yùn)行軌跡。首先按照程序設(shè)定采集兩次圖片，判斷是否有紅光，如果沒有，則控制云臺(tái)平躺，重新進(jìn)入尋光函數(shù)；如果有，則判斷其位于Y軸的正負(fù)方向，若為正方向則發(fā)送指令給小車?yán)^續(xù)前行，再循環(huán)采集圖片；若為負(fù)方向，則控制云臺(tái)下躺5°～10°，并且記錄躺下度數(shù)，以方便判斷云臺(tái)是否處于平躺的位置，進(jìn)而判斷是否處于紅光正下方，且成功對(duì)準(zhǔn)。

3.3 尋光函數(shù)

小車運(yùn)行開始時(shí)無(wú)法判斷和鎖定紅光位置，通過(guò)控制小車轉(zhuǎn)彎及云臺(tái)的上仰和平躺操作實(shí)現(xiàn)對(duì)紅光位置的判斷和鎖定。進(jìn)入尋光函數(shù)后，先采集兩次圖片，若首次采集圖片中有紅光，則采集結(jié)束并進(jìn)入鎖定紅光階段，反之控制云臺(tái)攝像頭在20°～80°范圍內(nèi)進(jìn)行上仰操作，以尋找紅光，直至鎖定紅光。若云臺(tái)上仰至80°后還沒有找到光源，則不再執(zhí)行攝像頭上仰操作，結(jié)束尋光操作。尋光流程圖如圖7 所示。

圖7 尋光流程圖

4 調(diào)試結(jié)果

在完成了硬件、軟件各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)制作后，對(duì)硬件電路各模塊進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，硬件電路各個(gè)模塊功能正常；將軟件程序下載到芯片中，使得程序正常無(wú)誤，軟硬件適配。攝像頭模塊可以準(zhǔn)確地采集到具有紅外功能的手套，并且在較為復(fù)雜的使用環(huán)境中識(shí)別出紅外手套，識(shí)別距離達(dá)到了最遠(yuǎn)為5 m，最優(yōu)識(shí)別距離為1.4～2.6 m，識(shí)別率達(dá)到了99.4%。識(shí)別出平衡小車在喚醒模式下能實(shí)現(xiàn)自助跟隨功能。語(yǔ)音識(shí)別模塊可以識(shí)別出使用者的相關(guān)指令，根據(jù)指令完成平衡小車的喚醒、休眠、播報(bào)、交流等功能，各個(gè)模塊功能正常。小車自平衡狀態(tài)通過(guò)陀螺儀和電機(jī)共同完成，通過(guò)前后左右的推放測(cè)試，平衡小車都可以實(shí)現(xiàn)自平衡，自主修正狀態(tài)，保持平衡。小車的平衡算法可靠穩(wěn)定，陀螺儀和電機(jī)驅(qū)動(dòng)正常工作。舵機(jī)是保持?jǐn)z像頭轉(zhuǎn)動(dòng)尋找目標(biāo)和鎖定目標(biāo)的機(jī)構(gòu)，舵機(jī)能根據(jù)下層芯片指令準(zhǔn)確完成攝像頭和云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，確保了攝像頭能及時(shí)采集和鎖定目標(biāo)。由于手套具有紅外功能，因此為了避免造成程序沖突和混亂，避障模塊選用超聲波模塊來(lái)獲取平衡小車與周邊障礙物的距離信息，實(shí)現(xiàn)平衡小車的避障功能。WIFI 模塊能正常聯(lián)網(wǎng)查詢各種信息。測(cè)試中以查詢天氣為例，語(yǔ)音識(shí)別查詢天氣指令后，WIFI 模塊能準(zhǔn)確查詢相關(guān)地域的天氣信息。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)基于STM32 的智能交互式平衡小車的應(yīng)用研究，文中從設(shè)計(jì)的目標(biāo)、思路、方法、硬件架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)以及PID 算法等方面驗(yàn)證了智能交互式平衡小車達(dá)到設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。該設(shè)計(jì)采用了兩輪式的結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的四輪結(jié)構(gòu)式小車相比，具有體積小、轉(zhuǎn)向靈活、自主平衡調(diào)整、自動(dòng)避障等功能，語(yǔ)音交互功能可使用戶更方便快捷地操作使用。平衡小車未來(lái)在消防勘察、無(wú)人巡查、自動(dòng)跟隨購(gòu)物車和行李箱領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。