基于STM32的重力感應無線智能遙控小車設計

李志瑞++申慶超

摘 要：針對傳統(tǒng)智能小車遙控端是物理按鍵或觸摸屏按鍵控制的缺點，文中基于STM32設計了一款重力感應無線智能遙控小車，該系統(tǒng)由手持遙控端與智能小車組成。其中手持遙控端利用傾角傳感器ADXL345檢測傾角信息，經(jīng)卡爾曼濾波之后，送入STM32進行處理并轉(zhuǎn)換為相應指令，通過nRF24L01模塊無線發(fā)送給智能小車，由STM32F103C8Tx控制電機驅(qū)動模塊L298N驅(qū)動小車前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等。文中設計的重力感應無線智能遙控小車引入卡爾曼濾波實現(xiàn)精確控制，具有簡單、直觀、方便、易操作等特點，應用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：STM32控制器；無線；重力感應；傾角

中圖分類號：TP39；TN92.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著社會進步，電子消費產(chǎn)品的需求越來越高，遙控智能車輛以及在智能化車輛基礎上開發(fā)出來的產(chǎn)品已廣泛應用到自動化物流運輸?shù)阮I(lǐng)域。目前，遙控智能車輛大多采用無線傳輸方式，而無線傳輸逐漸取代有線傳輸不僅是因為“無線”，更因為在安裝、增減節(jié)點方面都比有線方式方便、快捷，因此得到了廣泛的應用[1]。

本設計首先采集手持遙控端的傾角信息并進行處理、生成指令，然后無線發(fā)送給智能小車，賦予智能小車更靈活的運動狀態(tài)和更寬廣的運動范圍。設計靈活，操作方便，控制穩(wěn)定，制作成本低，可應用于視線可觀察但人體涉及不到的區(qū)域，可制作成高端智能玩具，或應用于工業(yè)控制，與實際相結(jié)合，有良好的現(xiàn)實意義和市場經(jīng)濟價值[2]。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

采用整體設計的方法進行設計，系統(tǒng)硬件主要由兩大部分構(gòu)成[3]，即以NUCLEO-L053為控制核心的手持遙控端和以STM32F103C8Tx為控制核心的智能小車。手持遙控端是以ADXL345、OLED12864與nRF24L01為基礎的檢測傾角裝置，顯示參數(shù)裝置和無線發(fā)射裝置。采用的MCU為STM32L053R8T6，由ADXL345不斷檢測手持設備的姿態(tài)，在OLED上顯示傾角值，傳給MCU。MCU把處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為小車動作指令，最后通過nRF24L01模塊發(fā)射給小車。小車以nRF24L01和L298N為基礎，采用的MCU為STM32F103C8Tx，通過nRF24L01模塊接收遙控設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，然后把數(shù)據(jù)包傳給MCU進行處理，MCU把處理好的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為相應指令，由STM32兩路定時器通道產(chǎn)生兩路PWM波控制電機驅(qū)動L298N，從而實現(xiàn)對小車運動狀態(tài)的調(diào)整。并結(jié)合NUCLEO-L053板載獨立按鍵對ADXL345校準和OLED再次初始化，從而增強產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、功能性優(yōu)勢。

1.1 手持遙控端電路設計

按照模塊化設計思想[4]，手持遙控端主要由傾角傳感器模塊ADXL345、遙控端控制模塊NUCLEO-L053、無線收發(fā)模塊 nRF24L01、液晶顯示模塊OLED12864、電源模塊等構(gòu)成。傾角傳感器模塊ADXL345主要用于檢測手持遙控端的傾角狀態(tài)，并將傾角信息傳給遙控端控制模塊NUCLEO-L053進行處理，生成指令通過無線收發(fā)模塊nRF24L01發(fā)送給智能小車。液晶顯示模塊OLED12864進行角度、加速度等信息顯示，電源模塊給各功能模塊供電，保證這些模塊可正常工作。本設計引入卡爾曼濾波算法[5]對手持遙控端的狀態(tài)角度進行優(yōu)化，能夠有效減少輸出信號的毛刺波動，避免小車運行過程中頻繁出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，從而讓小車的行駛更平滑。手持遙控端設計框圖如圖1所示。

傾角傳感器模塊使用ADI公司生產(chǎn)的基于iMEMS技術(shù)的3軸、數(shù)字輸出傾角傳感器ADXL345[6]。該模塊具有標準的I2C或SPI數(shù)字接口及高分辨率等特征，自帶32級FIFO存儲，是目前廣泛使用的數(shù)字傾角傳感器。傾角傳感器產(chǎn)生經(jīng)過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換電路后輸出的數(shù)字信號，計算導出加速度信息。在具體工作時，傾角傳感器會因微小振動產(chǎn)生噪聲，此時需要卡爾曼濾波與加速度計相互作用，調(diào)整參數(shù)將誤差降到最小。

卡爾曼濾波（Kalman Filtering）是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計的算法。在本設計中，主要對角度信息進行最優(yōu)估計，分為如下4步：

（1）根據(jù)k-1時刻的最優(yōu)角度值及偏差預估k時刻的角度值（估計值）；

（2）根據(jù)k-1時刻的最優(yōu)角度值偏差與k時刻的估計值偏差得到k時刻估計值的高斯白噪聲；

（3）根據(jù)k時刻測量值與估計值的協(xié)方差判定權(quán)重大小，得到最優(yōu)角度值；

（4）根據(jù)k時刻的最優(yōu)角度值及偏差預估k+1時刻的角度值（估計值）。通過循環(huán)迭代就可以得到最優(yōu)的狀態(tài)角度估計值。

NUCLEO-L053為ST推出的一種基于Cortex-M0+內(nèi)核的遙控端控制模塊[7]，其CPU最高系統(tǒng)時鐘可達32 MHz，可充分滿足本設計所用的模塊時鐘頻率；內(nèi)含 64 KB Flash和8 KB RAM，可提供足夠大的堆?？臻g，滿足復雜程序；具有本設計所需的I2C、SPI、USB 全速接口，提供MCU和模塊間高速的通信方式；板載獨立按鍵和LED，可供用戶自定義使用。

無線收發(fā)模塊nRF24L01[8]工作在2.4 G的全球開放免許可ISM頻段，GFSK調(diào)制，工作速率高達2 Mb/s且抗干擾能力強，擁有多達125個可選頻道，可以滿足多點通信和調(diào)頻通信的需求。采用SPI方式進行手持遙控端無線收發(fā)模塊nRF24L01與控制模塊NUCLEO-L053之間的連接。ADXL345與控制模塊的連接如圖2所示。

1.2 智能小車電路設計

智能小車主要由無線收發(fā)模塊nRF24L01，小車控制模塊STM32F103C8Tx，電機驅(qū)動模塊L298N，電源模塊等組成。無線收發(fā)模塊接收手持遙控端發(fā)出的控制指令，傳送給小車控制模塊進行處理，由STM32F103C8Tx的定時器4產(chǎn)生對應的兩路PWM波，調(diào)節(jié)L298N驅(qū)動兩臺直流電機完成對應動作。智能小車的設計框圖如圖3所示。endprint

STM32F103C8Tx是目前應用非常廣泛的一款ARM芯片，采用Cortex-M3內(nèi)核，擁有16 KB～1 MB Flash存儲，高達72 MHz的CPU運行速率，多種控制外設，USB全速接口和CAN等。在本設計中用來處理nRF24L01接收的數(shù)據(jù)包、控制L298N電機驅(qū)動模塊等。

電機驅(qū)動使用L298N驅(qū)動兩臺直流電機[9]。此款芯片具有工作電壓高，輸出電流大等特點，額定功率為25 W。本設計電機驅(qū)動使用6節(jié)AA電池，輸入電壓為9.5 V，可直接驅(qū)動兩臺電機。通過引腳A，B輸入定時器4產(chǎn)生的兩路PWM信號對電機進行調(diào)速控制。L298N模塊驅(qū)動電路如圖4所示。

為保證小車的運行速度，無需進行調(diào)速，全速行駛，加在L298N驅(qū)動上的電壓為6～12 V，而STM32需要的最大電壓為3.3 V，為了節(jié)省資源，減少電源模塊，需要降壓。選用AMS1117芯片降壓 [10]。電源模塊降壓電路如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件程序設計由兩大部分組成，即手持遙控端軟件程序和智能小車軟件程序。手持遙控端軟件程序首先上電進行初始化，主要是ADXL345模塊初始化，然后系統(tǒng)正常工作。ADXL345模塊不斷檢測傾斜角度的改變，控制模塊對傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)進行處理，將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成傾角角度，并進行卡爾曼濾波，判斷傾斜角度是否超出閾值，若超過則發(fā)送小車運動指令。智能小車軟件程序接收手持遙控端的指令進行處理之后驅(qū)動小車，接收端對接收到的指令進行判斷，控制小車作出前進、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。軟件程序流程如圖6所示。

完成軟硬件設計之后就開始對本設計進行系統(tǒng)整體測試工作。通過改變手持遙控端的傾角信息，可以在OLED上正常顯示傳感器姿態(tài)信息，無線收發(fā)裝置可以正常收發(fā)指令，控制智能小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)。手持遙控端和智能小車的實物圖如圖7所示。

3 結(jié) 語

本文應用傾角信息采集模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設計了一種重力感應無線智能遙控小車，并重點介紹了手持遙控端與智能小車的硬件電路與軟件程序設計。手持遙控端采集傾角信息，經(jīng)卡爾曼濾波處理，控制模塊發(fā)出指令，通過無線方式控制智能小車完成相應動作。經(jīng)測試，所設計的重力感應無線智能遙控小車操作靈活，使用方便，且具有較高的穩(wěn)定性與廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]張鵬，丁承君，閆彬.基于STM32的重力遙控智能車的控制系統(tǒng)設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2016（2）：77-77.

[2]樊龍.基于STM32的智能儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[D].太原：太原理工大學， 2014.

[3]李志瑞，申慶超.基于STM32的無線重力感應遙控系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2016，35（7）：33-34.

[4]崔陽，郭旭東，羊壽南.基于STM32的無線智能車控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].傳感器世界，2015，21（7）：28-32.

[5]彭丁聰.卡爾曼濾波的基本原理及應用[J].軟件導刊，2009（11）：32-34.

[6] Analog Devices Inc. ADXL345 Datasheet[EB/OL].[2008-11-01].http：//www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/254714/AD/ADXL345.html.

[7] STMicroelectronics.NUCLEO-L053R8Datasheet[EB/OL]. http：//www.st.com/content/st_com/en/products/evaluation-tools/product-evaluation-tools/mcu-eval-tools/stm32-mcu-eval-tools/stm32-mcu-nucleo/nucleo-l053r8.html.

[8]訊通科技.nRF24L01中文資料[EB/OL].[2010-08-26]. https：//wenku.baidu.com/view/f4a50f37ee06eff9aef80766.html.

[9] L298N中文資料[EB/OL].[2012-08-09]. https：//wenku.baidu.com/view/f8fd41f2f61fb7360b4c6544.html？from=search.

[10] AMS1117 Datasheet[EB/OL].[2011-07-29].https：//wenku.baidu.com/view/9f6fcab369dc5022aaea009d.html？from=search.endprint