模塊化全地形無人小車的設計

蘭春萍，龐浦生，祝海強，荘濱賓，吳萬利

（玉林師范學院 物理與電信工程學院，廣西玉林，537000）

1 系統(tǒng)整體設計

本小車基于STM32F407ZGT6 單片機，控制系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構

本全地形無人小車采用STM32F407ZGT6 單片機作為主要的控制單元，在系統(tǒng)通過接收加速度陀螺儀模塊及超聲波測距模塊的電信號時，判斷小車在外界所處于的相應地形，從而在單片機的主控發(fā)送相應的信號給舵機控制模塊和電機驅動模塊，控制小車繼續(xù)前行的路線以及行走方式，實現(xiàn)對小車的智能化，無人化的控制。由于采用了模塊化的設計，該無人小車的各個功能模塊及各功能模塊與其他零部件、設備之間可輕松實現(xiàn)耦合連接[1]。

2 硬件各功能模塊的設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)控制核心

本設計小車主要采用以STM32F407ZGT6 單片微型機為主的控制器件，其主控芯片同時也是一個微控制器模塊，采用了高性能ARM?-M432 的RISC 核心，運算速度可以達到168MHz，甚至還能夠使用設計時鐘實現(xiàn)更快的速率，同時使用FPU 和DSP 指令，多達144 個接口，其中包括114 個IO 接口，主要用于SWD 和JTAG 測試，內存容量包括1024K 的FLASH，還具有192K 的SRAM。由于STM32F407ZGT6 具備穩(wěn)定性強，抗干擾能力強的優(yōu)勢，所以采用了該芯片作為小車的主控，車輛通過使用該芯片接受各模塊的反饋數(shù)據，對各模塊和外界環(huán)境間的反應信息加以讀取，并加以分析處理，對外部環(huán)境的改變因而采取相應工作模式，從而調節(jié)各電機的驅動，以及工作速率的大小，以實現(xiàn)車輛能夠滿足在全地形運動的目的。STM32F407ZGT6單片機原理圖如圖2 所示。

圖2 STM32F407ZGT6 單片機原理圖

2.2 加速度陀螺儀模塊

本設計小車還安裝了2kHz 九軸電子羅盤IMU 傾斜位置傳感器MPU9250，而MPU9250 則是一種QFN 封裝的運動復合器件(MCM)，它由兩部分組成。一種是三軸加速度以及三軸陀螺旋轉儀，另一組則是AKM 公司的AK8963 三軸磁力計。所以，MPU9250 是一款九軸移動追蹤設備，其在小小的3mm×3mm×1mm 的包裝中融入了三軸加速度，三軸旋轉陀螺儀及其數(shù)字處理器(DMP)從而具有MPU6515 的功能。其完美的I2C 方案，可直接輸出九軸的全部數(shù)據[2]。一體化的系統(tǒng)，運動式的融合，以及時鐘校正系統(tǒng)，使設計者避免了繁瑣復雜的器件選型和外設管理，以確保了良好的穩(wěn)定性。該傳感器使用的加速度計和微陀螺儀低成本小體積且性能穩(wěn)定。采用卡爾曼濾波技術，把加速度計和陀螺儀得到的信息綜合在一起以實現(xiàn)車輛傾角信息的最優(yōu)計算，進而實現(xiàn)車輛的對自然環(huán)境中的車速調節(jié)、方位控制和變速功能，達到車輛對自然環(huán)境更高的適應能力[3]。圖3 為MPU9250 模塊電路圖。

圖3 MUP9250 模塊電路圖

2.3 超聲波測距模塊

其機身上搭載了HC-SR04 超聲波感應器組件，HC-SR04 超聲波測距模塊可進行最高4m 范圍的非接觸式近距離感測操作，探測范圍準確度可至3cm，根據功用分為超聲波探測的發(fā)射機，接收機以及控制電路[4]。通過IO 觸發(fā)測距，在傳感器的端口提供一個10μs 的高頻電流信號，從超聲波發(fā)送口接收聲音并發(fā)出8 個40kHz 的頻率信號，能夠檢測出是否有聲音回路。然后開啟定時器，待傳感器輸出響應聲音，回響的輸出頻率與被測量時間成正比，根據最大量程和聲音的頻率，測量的時間間隔一般為60ms 以上，然后根據時鐘時間間隔測量計算長度[5]。當小車檢測到障礙物和輪子的距離過近時，會啟動避障程序，從而使小車避障能力得到有效改善。模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，隨時監(jiān)測距離，能使小車有效避開障礙物。實現(xiàn)小車在地形中的避障能力。

2.4 舵機控制模塊

當小車在對地形的操控中，就使用了RDS3218 舵機控制單元。舵機，它的學名稱為伺服電機，這是一個裝有輸入輸出軸的小器件。當計算機對伺服機發(fā)出一種操控信息后，輸入輸出軸就會旋轉到一定的角度。而只要操控信息維持恒定，伺服機制就能維持軸的角度位置不變化。而只要操控信息變化，輸入輸出軸的角度就會隨之變化。而操舵系統(tǒng)控制器模塊可以作為一個伺服的驅動器，應用在一個需要方向的變化并能夠保持的道路控制系統(tǒng)上，當車輛感覺到地形的變化后，其控制器芯片產生一定的信息并傳給舵機系統(tǒng)控制器模塊，使舵機系統(tǒng)轉動至某個適合于地形的方位并靜止，以此適應地形，從而使車輛可以很容易地通過各種不同地形。而且在使用的模塊為大扭矩的舵機控制模塊，在能適應車身自身重量的同時，還能保證著控制的靈敏度，在地形跨越有更優(yōu)越的性能。

2.5 電機驅動模塊

在電力驅動領域，常使用的L298N 電力驅動器件。L298N，是一個接受較高電壓電流的電機驅動器件，是由意法半導體公司的量產的一個電力驅動器件，具有工作電壓高、輸出電流大、驅動功能多、發(fā)熱量小、抗干擾能力好的優(yōu)點，一般用于驅動繼電器、螺紋管、電磁閥、直流電機和步進電機。該芯片具有高壓大電流的全橋驅動芯片，控制方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良[6]。在小車的控制方面有很大的優(yōu)勢，小車穿過不同地形時，可根據地形的復雜程度控制PWM 的占空比控制轉速，控制小車的穩(wěn)定性能，防止小車在行駛時失去平衡導致側翻，從而保證了小車在行駛中穩(wěn)定優(yōu)越性。圖5 為L298N 電路圖。

圖4 HC-SR04 超聲波感應器

圖5 L298N 電路圖

3 軟件

3.1 程序初始化

控制直流電機和舵機需要PWM 方波，該小車的主控STM32F407ZGT6 內置多個定時器，可以用于產生PWM方波，PWM 方波就是一段由相同周期和占空比的方波組成的，當設置好定時器的周期和占空比后，最后再使能定時器，對應的引腳就可以產生PWM 方波了。第二步就是初始化傳感器相關接口，STM32ZGT6 外設有144 個引腳，每個引腳都有相應的功能，引腳可以設置為輸入或者輸出引腳。通過設置引腳的輸入和輸出的設置，單片機就可以實現(xiàn)操控各類外設，并與外設通信。為輸入引腳后，單片機就可以接受外面的信號，設置為輸出引腳，單片機則可以向外輸出使能信號。超聲波傳感器需要兩個IO 口，一個用于觸發(fā)信號的輸出，一個用于信號的輸入，超聲波工作的原理是給超聲波一個觸發(fā)信號(一個高低電平的跳變)，然后等待輸入信號接口電平由高變低，根據電平由高變低的時間和聲音在空氣中傳播的速度，得出物體的距離。本設計選用的九軸傳感器模塊集成了芯片和傳感器，可以進行串口通信，設置精度，精度越高則每秒生產的數(shù)據越少，還有卡爾曼濾波的迭代次數(shù)，數(shù)據為0 到999，越大則數(shù)據變化的越慢，卡爾曼濾波是為了減少因為噪音信號的產生而造成的誤差，使信號的整體波形更平滑，但是也會影響檢測快慢，在一些角度變化過快的場合應該把迭代次數(shù)減少以得到更好的效果。

3.2 平衡控制與避障控制

本設計能實現(xiàn)在行駛復雜路面還能平穩(wěn)行駛，同時遇到障礙物能主動避開的功能。傳感器實時檢測小車是否處于平衡狀態(tài)，當四個輪子的高度偏差超過系統(tǒng)設定的閾值時，系統(tǒng)會控制舵機轉動，讓那個水平位置升高的兩個舵機轉動一定角度，使輪子抬起來，調整四個輪子的高度一致，從而實現(xiàn)小車的平衡駕駛。避障則通過小車的超聲波模塊和減速電機來控制，避障則是根據情況來控制的，情況一：當小車的一邊檢測到障礙物，而小車的另一邊沒有時，小車先后退，然后向沒有障礙物的那一邊拐。情況二：兩邊都檢測到障礙物，小車先后退，調整好角度再前進，直到變成情況一。

3.3 無線通信

全地形的無人車輛也可以使用手機等無線裝置來操作，通訊方式為藍牙2.0。選用藍牙通信是經過根據穩(wěn)定性，準確性，效率等方面考慮的。通過無線通信，可以控制小汽車進行不同的運動，比如啟動和停止，改變車速，也能開啟和關閉用于控制小車平衡的平衡環(huán)，可以直接操控小車。該設計的優(yōu)點在于能在調試過程中更快速，準確地收集各種參數(shù)，同時也能使在未來的應用中更加方便。圖6 為小車控制的流程圖。

圖6 軟件控制流程圖

4 結束語

隨著現(xiàn)代社會對智能化發(fā)展的需求，運用無人小車在人工智能、精準定位、自主導航、智能操控等技術造福人類。本設計使用巧妙的控制系統(tǒng)使小車懸掛式越過障礙，用單片機使其按照一定的指令工作，提高適應能力，用多種傳感器精準地識別各種地形，有效解決了精準度、安全性、地形限制等問題。