基于STM32 的智能搬運機器人設計

林俊仁，郭駿祥，王一凡，張博鑫，倪虹霞

（長春工程學院，長春 130012）

0 引 言

近年來，制造企業(yè)不斷完善生產(chǎn)系統(tǒng)，智能制造與智慧物流行業(yè)快速發(fā)展，智能倉儲由于其便于管理、效率高等特點得到廣泛應用。過去傳統(tǒng)人力進行搬運、運輸?shù)戎貜凸ぷ?，費時費力，應用ROS 智能車和AGV 智能車在物流運輸領域成為必然趨勢。智能搬運機器人是智能倉儲的重要組成之一。本文設計的智能搬運機器人是一款基于STM32 和樹莓派的室內(nèi)自主行走、自動避障的自動導引小車（Automated Guided Vehicle，AGV），可以自主進行路徑規(guī)劃，識別物料，獨立完成搬運工作。

STM32 單片機用于控制車的行進、速度及轉(zhuǎn)向等基本功能，如前進、后退、拐彎等。設計一個二輪平衡車和四輪智能車結構，兩種機械結構更加適用于多種環(huán)境，電機PID 速度控制，了解并使用電機編碼器，完成航向角的測量，可以對智能車精確控制。而樹莓派主要用于發(fā)布導航信息和里程信息，利用SLAM 算法對智能車精準定位，以達到導航的目的。

1 智能搬運機器人室內(nèi)導航技術

智能搬運機器人的核心技術是自主導航技術，其包括環(huán)境感知、定位及路徑規(guī)劃等3 個部分。室內(nèi)環(huán)境感知，由激光雷達傳感器實現(xiàn)，通過激光雷達傳感器測出機器人與目標之間的距離，運用算法計算目標地點的位置。

智能搬運機器人室內(nèi)定位由二維碼導航技術實現(xiàn)，通過差分定位，結合現(xiàn)場地圖，利用控制系統(tǒng)分析地圖坐標數(shù)據(jù)，并與已建立的地圖信息對比實現(xiàn)定位。該技術定位準確、靈活，易于鋪設和更換路徑，易于控制通信，是現(xiàn)場應用比較廣泛的方式。

2 總體設計

2.1 硬件設計

智能搬運機器人由多個模塊組合構成，其硬件包括了智能車車架、樹莓派4b、舵機、STM32 f103c8t6開發(fā)板、雙路直流減速電機、激光雷達、編碼器、電池、電機驅(qū)動、MPU6050、LED 屏幕，系統(tǒng)硬件組成結構圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結構

硬件系統(tǒng)主要組成部分：

（1）采用STM32 單片機作為主控芯片，其內(nèi)部資源豐富，片上外設、定時器等數(shù)量較多，功能強大，有專用的PWM 引腳，更加穩(wěn)定。該單片機具有I2C，SPI 等接口，利于開發(fā)和控制，DMA 控制器用于數(shù)據(jù)的運輸，減少對CPU 的占用。

（2）智能車機械結構分為兩種：兩輪和四輪。兩輪為平衡車結構，體積小，更利于進入狹小的環(huán)境；四輪更加穩(wěn)定，利于進入地面不平的環(huán)境，穩(wěn)定性和平衡性更好。

（3）電源：本設計采用航模電池，電池組規(guī)格為，電壓：11.1V 到12.6V，1100mAh，8C。其尺寸：69mm×34mm×19mm，重量約90g。滿足電機驅(qū)動模塊和樹莓派供電要求，電機驅(qū)動模塊給STM32 單片機提供5V 的直流電源供電。

（4）測速編碼器：編碼器是一種將角位移或者角速度轉(zhuǎn)換成一連串電數(shù)字脈沖的旋轉(zhuǎn)式傳感器，我們可以通過編碼器測量到位移或者速度信息。編碼器從輸出數(shù)據(jù)類型上可以分為增量式編碼器和絕對式編碼器。從編碼器檢測原理上來分，還可以分為光學式、磁式、感應式、電容式。常見的是光電編碼器（光學式）和霍爾編碼器（磁式）。設計采用的是霍爾編碼器，滿足智能搬運車測速編碼需求。

（5）超聲波傳感器：采用HC-SR04 超聲波測距模塊，有UART 和IIC 功能，2cm 盲區(qū)，采用升級解調(diào)芯片RCWL-9205，2.2mA 工作電流，工作電壓3～ 5.5V，接口豐富。

（6）舵機：采用該SG90，反應速度0.12～ 0.13 秒/60°，工作扭矩為0.156 8Nm，可使用溫度為-30℃到60℃，使用電壓為5V，可用于舉升等功能。

（7）屏幕采用OLED 屏，由STM32 控制驅(qū)動，優(yōu)點有可視角度大，功耗低，不需要背光源，對比度高等優(yōu)點，供電范圍：3.3～ 5V，工作溫度：-30℃～70℃，通信方式采用I2C 或者SPI，使用壽命不少于160 000 小時。

（8）樹莓派4b 采用Ubuntu 系統(tǒng)，CPU 為64 位1.5GHz 四核（28nn 工藝），藍牙5.0，內(nèi)存為1～ 4GB DDR4，擁有雙micro HDMI 接口，千兆以太網(wǎng)，電力需求為3A，5V。

（9）激光雷達采用了RPLIDAR A1，精度較高，可用于定位導航，采樣頻率可達8k，掃描頻率達到5.5Hz，掃描范圍為360°，功耗較低，可以實現(xiàn)多點觸控與人機交互，抗環(huán)境光能力強。

2.2 軟件模塊組成部分

本系統(tǒng)主要功能有導航定位，二維碼識別，避障等功能。軟件設計模塊主要分為兩個部分，一個是樹莓派部分，包括激光雷達導航，SLAM 算法，模型文件編寫等模塊，一個是STM32 智能車部分，有PID 速度控制，航向角度控制，二維碼識別等軟件模塊。軟件模塊組成框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件組成結構

2.2.1 PID 部分

二輪結構下：平衡智能車運用了PID 進行直立、平衡和速度控制，分為直立環(huán)、速度環(huán)、轉(zhuǎn)向環(huán)，每一個PID 出的輸出結果都由單片機輸出成PWM 進入電機。直立環(huán)PID 只運用了PD 控制，輸入的參數(shù)為角度偏差和機械中值（取決于平衡車的機械結構），角度由MPU6050（陀螺儀）測量；速度環(huán)運用了PI 控制，輸入的參數(shù)為智能車輪子的轉(zhuǎn)速，也就是智能車電機編碼器的速度，同時使用了一階低通濾波器，使速度控制更精準；轉(zhuǎn)向環(huán)用了PD 控制，輸入?yún)?shù)為智能車的轉(zhuǎn)向角度。PID 的基本流程如圖3 所示。

圖3 PID 的基本流程

四輪結構下，前輪使用舵機轉(zhuǎn)向，整個四輪車采用了四驅(qū)驅(qū)動，通過PID 控制其速度，輸入的參數(shù)為智能車的輸入電機編碼器的轉(zhuǎn)速，輸出結果為PWM值。

2.2.2 舵機控制

使用不同的PWM 波實現(xiàn)舵機的各個角度轉(zhuǎn)動，控制脈沖的長短來控制舵機的最大轉(zhuǎn)動角度。本系統(tǒng)下，舵機的基準信號周期為20ms，寬度為1.5ms，而最小脈沖為1ms，最大脈沖為2ms 實現(xiàn)搬運，具有卸下物品等功能。

2.2.3 激光雷達部分

使用思嵐科技的RPLIDAR A1，用5V 直流電源供電，有以下兩種使用方法。

直接通過STM32 與激光雷達相連接，使用STM32F401RE_Nucleo 開發(fā)板（STM32F401RE_Nucleo開發(fā)板背面的SB62、SB63 各自連通后開發(fā)板正面CN9上面的D0、D1才能和UART2 的Rx、Tx 連通），RPLidar 通過UART1 引腳與STM32F401 相連并通訊，波特率為115 200，通過程序讀取激光雷達的輸出。

程序1 的基本思路如下：定義一個UART1 Rx的DMA 緩沖區(qū)用于存儲數(shù)據(jù)，取變量名為uart1_rx_buffer，將以定義成一個環(huán)形隊列，所占用的連續(xù)內(nèi)存空間從邏輯上可分為UART1_RX_BUFFER_AMOUNT（程序中的一個變量）份，這個變量中的每一個元素的data 指針都指向uart1_rx_DMA_buffer的n 份的首地址。UART 接收過程中，將數(shù)據(jù)傳給DMA，并完成數(shù)據(jù)入列，并在中斷函數(shù)中實現(xiàn)入隊操作，調(diào)整隊列。定義一個UART1_RX_BUFFER 結構體，其中state 用于表示DMA 緩存區(qū)的狀態(tài)，start_DMA_time_ms 和finish_DMA_ms 用于表示DMA 的開始接收和完成接收的時間。ValidPos 用于表示保存了多少數(shù)據(jù)，readPos用于將要存儲的數(shù)據(jù)的下標，data中存儲著緩存區(qū)里的數(shù)據(jù)，可以通過printf 函數(shù)打印出來。圖4 為思嵐官網(wǎng)RPLIDAR A1 的打印數(shù)據(jù)，引腳配置如圖5 所示。

圖4 打印數(shù)據(jù)程序（部分截圖）

圖5 芯片引腳配置

將RPLIDAR A1 連接樹莓派，使用思嵐科技官網(wǎng)的SDK 包，得到需要的位置信息用于導航，在SDK包中ultra_simple 是一個簡單的演示程序，可以快速地集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)，但并不穩(wěn)定，使用simple_grabber 是輸出柱狀圖的雷達數(shù)據(jù)，用戶需要使用connect（）函數(shù)打開串口并連接到激光雷達上。采用了Cartographer 算法（由google 推出的一套基于圖優(yōu)化的SLAM 算法），相較于Hector 算法能更加精準地判斷位置，具有回環(huán)檢測功能，Cartographer 是一個在多個平臺和傳感器配置上提供2D 和3D 實時同步定位和繪圖（SLAM）的系統(tǒng)，本方案采用的是2D SLAM，主要融合了Local 和Global 兩種方式，使用了Submap 這一概念。使用Cartographer 算法時，需先安裝ROS 和cartographer_ros 的依賴項，或則會報錯，還需配置自己的設備信息，構建.launch 文件，最終實現(xiàn)點云的第一人稱可視化。

2.2.4 顯示部分

本設計采用的顯示屏幕是OLED 屏幕，由I2C 或者SPI 控制，可以用來顯示中文，英文，標點符號。如圖5 所示，一共有四個引腳。VCC 接單片機的3.3V引腳，GND 接電源負極，也可以并聯(lián)上一個濾波電容，保證供電穩(wěn)點，不會出現(xiàn)閃屏的現(xiàn)象，SCL 和SDA 分別為OLED 屏時鐘線和數(shù)據(jù)線連接單片機的I2C 引腳。

2.2.5 二維碼識別

使用openmv 實現(xiàn)二維碼識別，可以讀取不同的二維碼信息，獲得智能車的基本位置。

3 實驗結果與分析

智能搬運機器人系統(tǒng)測試內(nèi)容是對研究完成的系統(tǒng)的主要功能進行測試，檢驗系統(tǒng)功能的完成程度是否滿足設計要求。在測試過程中，對系統(tǒng)中不滿足設計要求的部分進行優(yōu)化和完善。本系統(tǒng)的智能車主要由PID 速度控制，MPU6050 姿態(tài)控制，二維碼識別，激光雷達導航，發(fā)布里程計和深度信息，機器人模型文件等多部分代碼文件組成，使用Keil uVision5、VIM 等多個編程軟件以及調(diào)試軟件，使用STLINK 下載器將調(diào)試好的軟件下載到單片機和樹莓派中，最終完成智能物流搬運車的設計。測試內(nèi)容及結果如表1 所示。

表1 測試內(nèi)容及結果

4 結 語

文章設計一款實現(xiàn)智能搬運功能的機器人，實現(xiàn)了智能定位、導航、避障及物資搬運等功能，實現(xiàn)了搬運智能化的設計要求，解決了傳統(tǒng)物流行業(yè)依賴人工、效率低等問題。該智能搬運機器人適應性強，只需對其程序進行簡單修改就可以適應多個不同環(huán)境需求，為智能制造領域物流運輸提供有力支撐。