基于ARM的小型交通指揮機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王弘毅，劉哲，盛文君，牟祖坤，賈淇惠，劉昌景

（菏澤職業(yè)學(xué)院，山東菏澤，274000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人水平已逐漸成為衡量一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化程度的關(guān)鍵性能指之一。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不單局限于工業(yè)用途，而向更廣闊的領(lǐng)域逐步擴(kuò)展，例如交通、醫(yī)學(xué)、家庭、酒店服務(wù)等領(lǐng)域。

隨著國(guó)家的發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量逐年增高，隨之而來(lái)的是交通擁堵日益嚴(yán)重，出行時(shí)間增多，交通事故頻發(fā)。汽車(chē)保有量的增高使人們對(duì)交通暢通的需求也有著更高的要求。由于交警需要在酷暑、寒冬、雨雪、霧霾天氣下工作，工作環(huán)境非常惡劣，且工作勞動(dòng)強(qiáng)度較大?；谝陨显?，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的基于ARM的智能交通指揮機(jī)器人系統(tǒng)。

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用智能控制技術(shù)，該技術(shù)可以有效的使交通燈系統(tǒng)與機(jī)器人進(jìn)行配合使用，保證交通指揮的有效進(jìn)行，又不受限于紅綠燈，同時(shí)在交通燈系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行交通指揮，保證交通順暢。

（2）智能交通機(jī)器人底部采用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交通指揮的全面性，使其能夠平穩(wěn)的進(jìn)行交通指揮的工作，并且手臂擁有6個(gè)自由度，能夠完成多種交通動(dòng)作的指揮。

（3）采用基于光電傳感器的量車(chē)流量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)流量，當(dāng)各個(gè)方向車(chē)輛差距較大時(shí)設(shè)計(jì)讓等待時(shí)間增長(zhǎng)，即讓車(chē)輛多的一邊多通行一會(huì)，從而減少交通堵塞。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該智能交通機(jī)器人系統(tǒng)具體組成部分如圖1所示，該系統(tǒng)由四部分組成，第一部分是整體平臺(tái)，負(fù)責(zé)承載機(jī)器人、模擬車(chē)輛，第二部分是機(jī)器人本體，第三部分是模擬車(chē)輛，第四部分是控制系統(tǒng)。

圖1 智能交通機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整體平臺(tái)負(fù)責(zé)承載機(jī)器人與模擬車(chē)輛、數(shù)碼管、LED燈這幾個(gè)部分；機(jī)器人本體負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種交通指揮動(dòng)作，以指揮模擬車(chē)輛的行駛；模擬車(chē)輛負(fù)責(zé)接收來(lái)自控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而執(zhí)行不同的動(dòng)作；控制系統(tǒng)采用ARM架構(gòu)的STM芯片，用來(lái)控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的指揮動(dòng)作，并同時(shí)控制LED與數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)等。

工作時(shí)，主控芯片負(fù)責(zé)控制外部的LED燈與數(shù)碼管模塊顯示，同時(shí)控制無(wú)線通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，小車(chē)對(duì)接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后執(zhí)行動(dòng)作，小車(chē)沿規(guī)劃的賽道運(yùn)動(dòng)，到達(dá)目的地后小車(chē)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)。

主控部分通過(guò)STM32F103ZET6、光電傳感器、NRF2401、LED、數(shù)碼管模塊等組合實(shí)現(xiàn)通訊與機(jī)器人控制，該部分能夠控制LED的亮滅進(jìn)而與模擬車(chē)輛進(jìn)行通訊，控制機(jī)器人執(zhí)行不同的動(dòng)作、根據(jù)光電傳感器反饋的信號(hào)改變通行時(shí)間。小車(chē)采用亞克力車(chē)模制作，包含STM32F103RBT6、NRF2401、L298N、光電傳感器、支架（3D打?。?，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種轉(zhuǎn)動(dòng)控制與供電。

2 機(jī)器人本體

機(jī)器人本體由機(jī)器人控制單元、電源單元、機(jī)械單元、無(wú)線傳輸單元四部分組成，機(jī)器人控制單元的作用為控制機(jī)器人執(zhí)行不同的交通指揮動(dòng)作；電源單元負(fù)責(zé)為機(jī)器人和ARM芯片提供電能；機(jī)械單元負(fù)責(zé)把機(jī)器人各個(gè)部件連接到一起，并使得機(jī)器人能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；無(wú)線傳輸單元負(fù)責(zé)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，即把主控發(fā)出的信息發(fā)給模擬車(chē)輛，使得模擬車(chē)輛根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)完成不同的指令動(dòng)作。

■2.1 機(jī)器人總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 機(jī)器人手

機(jī)器人包含舵機(jī)、支架、舵盤(pán)、電池、舵機(jī)控制板。為了讓機(jī)器人更加形象，制作了頭部、手臂、軀干、腿部幾個(gè)部分，機(jī)器人三維模型如圖2所示。為了更好的模擬交警指揮動(dòng)作并減少機(jī)加工成本，機(jī)器人的手部采用了3D打印的爪子，如圖3所示。機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)采用了大U、短U和舵機(jī)進(jìn)行連接，底部為了使受力更加均勻，交通機(jī)器人底部利用推力圓柱滾子軸承采用了旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。

圖2 交通指揮機(jī)器人三維模型

機(jī)器人擁有10個(gè)自由度，分別為手臂6個(gè)自由度和腿部4個(gè)自由度，能夠完成停止、直行、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎、變道等動(dòng)作?？梢虿煌闹噶钭龀鱿鄳?yīng)的動(dòng)作。

■2.2 機(jī)器人控制模塊

機(jī)器人的控制模塊采用了ARM架構(gòu)的STM32F103 ZET6芯片，通過(guò)ZET6的串口與外部的舵機(jī)控制板進(jìn)行通訊，從而控制機(jī)器人執(zhí)行各種不同的動(dòng)作。STM32F103 ZET6是一種嵌入式-微控制器的集成電路。該芯片性能強(qiáng)悍，接口多且易于調(diào)試，較符合該項(xiàng)目的需求，該芯片原理如圖4所示。

圖4 STM32F103ZET6芯片原理圖

STM32F103ZET6同時(shí)控制LED燈與數(shù)碼管模塊的閃爍與數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行完指揮動(dòng)作以后，根據(jù)執(zhí)行的動(dòng)作，相應(yīng)通行方向的LED變?yōu)榫G色或者紅色，同時(shí)數(shù)碼管顯示出通行的時(shí)間，此時(shí)程序把NRF2401設(shè)置為發(fā)送模式，把數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端的NRF2401，從而可控制智能小車(chē)執(zhí)行不同的動(dòng)作。

■2.3 無(wú)線傳輸模塊

NRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。NRF2401適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開(kāi)鎖、玩具等。其原理如圖5所示。

圖5 NRF2401原理圖

本系統(tǒng)采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)函數(shù)處理執(zhí)行不同的動(dòng)作。機(jī)器人完成不同的指揮動(dòng)作之后，把機(jī)器人上的NRF2401設(shè)置為發(fā)送模式，把模擬車(chē)輛上的NRF2401設(shè)置為接收模式，接收端不斷地去判斷收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后執(zhí)行不同命令。

祖國(guó)醫(yī)學(xué)認(rèn)為:糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病之本是肝腎虧虛。腎乃人體先天之本,腎虛則固攝無(wú)權(quán),精微不藏走瀉,津液虧乏火熾,發(fā)為消渴癥;腎虛貫穿于糖尿病的各個(gè)階段[2]。腎虛則骨髓生化乏源,精血不足,筋骨失養(yǎng),筋腱無(wú)力。肝血不足則筋失濡養(yǎng);肝氣郁結(jié)則脈絡(luò)閉阻,筋失濡養(yǎng),久則傷骨。肝腎兩臟器的聯(lián)系極為緊密,腎精虧虛致肝血不足,肝血不足致腎精虧虛,二者互為因果,因此對(duì)于糖尿病性骨質(zhì)疏松癥的治療,肝腎同治術(shù)后基本原則。

3 模擬車(chē)輛部分

模擬車(chē)輛分為為五個(gè)模塊，分別是控制系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，無(wú)線傳輸系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和循跡系統(tǒng)。為了滿足車(chē)輛體積小、功耗低的要求，本系統(tǒng)采用了三輪式模擬車(chē)輛，前輪為萬(wàn)向輪，這樣只需要控制后兩輪的轉(zhuǎn)向即可控制整個(gè)小車(chē)的行動(dòng)方向。當(dāng)模擬車(chē)輛上的無(wú)線發(fā)送模塊設(shè)置為接收模式時(shí)，就可以等待發(fā)送來(lái)的指令，收到指令后驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可被控制。

■3.1 控制系統(tǒng)

模擬車(chē)輛控制系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)行駛的同時(shí)也負(fù)責(zé)接收來(lái)自于機(jī)器人端NRF2401發(fā)送的數(shù)據(jù)，同時(shí)還需接收光電傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，用于在平臺(tái)上進(jìn)行循跡運(yùn)動(dòng)，為了實(shí)現(xiàn)以上功能，并盡可能壓低成本，本系統(tǒng)同樣采取了ARM架構(gòu)的STM32RBT6，它有64個(gè)引腳，SPI與PWM（脈沖寬度調(diào)制）輸出，并且具有計(jì)算能力強(qiáng)，主頻高等優(yōu)點(diǎn)，并且支持3.3V供電與低功耗模式。

■3.2 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

模擬車(chē)輛部分的無(wú)線傳輸模塊設(shè)置為接收模式，在沒(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)候一直等待發(fā)送端的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)傳輸給模擬車(chē)輛的控制部分進(jìn)行運(yùn)算，然后車(chē)輛根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果與發(fā)送端的數(shù)據(jù)一致，車(chē)輛則進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模式。

■3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)主控的兩個(gè)GPIO引腳實(shí)現(xiàn)控制功能，并把主控的PWM輸出引腳接至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的占空比調(diào)節(jié)引腳上，從而控制電機(jī)動(dòng)作。并且本系統(tǒng)應(yīng)用了差分運(yùn)動(dòng)算法，即令芯片的PWM1引腳產(chǎn)生的占空比為50%，PWM2產(chǎn)生的的占空比為54%，這樣消除了因電機(jī)本身制作產(chǎn)生的的誤差，克服了兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致的影響。

L298N是一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，結(jié)構(gòu)如圖6所示。它可同時(shí)控制兩個(gè)直流減速電機(jī)做不同動(dòng)作，并具有過(guò)熱自斷和反饋檢測(cè)功能。L298N可對(duì)電機(jī)進(jìn)行直接控制，通過(guò)主控芯片的I/O輸入對(duì)其控制電平設(shè)定，為電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，可以滿足直流電機(jī)的大電流驅(qū)動(dòng)條件。

圖6 L298N模塊結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用L298N實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的控制，將芯片的輸出引腳1、2接到左側(cè)電機(jī)，將輸出3、4引腳接到右側(cè)電機(jī)，并且把PWM輸出接到A相使能端口，把另外一路PWM接到B相使能端口。初始化引腳后，讓PWM引腳輸出波形給兩個(gè)使能引腳，當(dāng)接收到端口1拉高，端口2拉低的數(shù)據(jù)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)信號(hào)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的控制真值表如表1所示。

表1 小車(chē)電機(jī)程序控制真值表

在行駛的過(guò)程中，讓兩側(cè)的光電檢測(cè)軌跡線，防止小車(chē)沖出指定的賽道。當(dāng)檢測(cè)出到達(dá)平臺(tái)邊緣時(shí)，就讓小車(chē)停前進(jìn)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

■3.4 循跡系統(tǒng)

循跡系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器檢測(cè)平臺(tái)上的軌跡，然后把檢測(cè)的信息發(fā)送給RBT6，然后通過(guò)RBT6輸出PWM控制模擬車(chē)輛沿著軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

4 車(chē)流量計(jì)算

光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種器件。本系統(tǒng)采用了紅外漫反射型光電傳感器，其檢測(cè)距離可以調(diào)節(jié)，當(dāng)檢測(cè)到物體的信號(hào)時(shí)，引腳會(huì)產(chǎn)生高電平，反之則產(chǎn)生低電平。其原理如圖7所示。

圖7 光電傳感器原理圖

光電傳感器在本系統(tǒng)中用于車(chē)流量計(jì)算，本系統(tǒng)在東西南北四個(gè)方向共加入了4個(gè)光電傳感器。首先將引腳設(shè)置為外部中斷模式，觸發(fā)方式是上升沿檢測(cè)，然后使能中斷，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛時(shí)，光電傳感器的數(shù)據(jù)引腳會(huì)返回一個(gè)高電平，即“1”，然后觸發(fā)中斷，進(jìn)入中斷處理函數(shù)。先確定是否真的發(fā)生中斷，然后讓程序中的內(nèi)部變量增加，這里的內(nèi)部變量代表了實(shí)際中車(chē)的數(shù)量，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛的時(shí)候會(huì)觸發(fā)中斷，中斷函數(shù)中的變量增加。接下來(lái)清除中斷標(biāo)志位，然后對(duì)比東西和南北兩個(gè)走向的車(chē)流量，當(dāng)各個(gè)方向車(chē)的數(shù)量相差不大的時(shí)候，程序設(shè)置讓通行時(shí)間不變，當(dāng)各個(gè)方向車(chē)輛差距較大時(shí)設(shè)計(jì)讓等待時(shí)間增長(zhǎng)，即讓車(chē)輛多的一邊多通行一會(huì)，從而減少交通堵塞。

5 實(shí)物圖

本系統(tǒng)的實(shí)物圖見(jiàn)圖8~10，目前可實(shí)現(xiàn)模擬車(chē)輛的停止、直行、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎、變道等動(dòng)作。通過(guò)實(shí)物測(cè)試，該系統(tǒng)可靠性較高。

圖8 指揮機(jī)器人實(shí)物圖

圖9 車(chē)輛實(shí)物圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型的基于ARM的架構(gòu)的智能交通指揮機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)擬在無(wú)人管理狀態(tài)下，利用智能交通機(jī)器人通過(guò)對(duì)車(chē)流量的計(jì)算來(lái)進(jìn)行擁堵優(yōu)先級(jí)判斷，選擇合適的處理方法，使道路更加的暢通。

圖10 整體平臺(tái)圖