第6章 輪式巡線機器人的設(shè)計與制作

1機器人控制技術(shù)與實踐

2第六章輪式巡線機器人的設(shè)計與制作6.1輪式巡線機器人6.2硬件設(shè)計6.3軟件開發(fā)環(huán)境 6.4STM32的I/O端口的應用6.5系統(tǒng)整體調(diào)試3

輪式移動機器人是最常見的機器人類型，是機器人應用領(lǐng)域的重要研究發(fā)展方向。輪式機器人的移動方向有時需要外加環(huán)境標識的引導，其中引導線是一種常用的方式。第六章輪式巡線機器人的設(shè)計與制作46.1輪式巡線機器人

輪式機器人是最常見的機器人，它不僅移動速度快、穩(wěn)定性好，而且移動方向易于控制，廣泛應用于安防、醫(yī)療、工業(yè)等多個領(lǐng)域。輪式機器人為了到達目的地，有時需要一定的引導方式，最常見的就是沿著地面引導線行走。56.2硬件設(shè)計

機器人包括底盤結(jié)構(gòu)、舵機、輪子、傳感器、穩(wěn)壓模塊、電池等。66.2硬件設(shè)計

1、機械結(jié)構(gòu)輪式巡線機器人的主體采用兩輪加萬向輪的結(jié)構(gòu)，車前側(cè)安裝兩個傳感器，用于檢測地面信息，車后側(cè)安裝萬向輪實現(xiàn)車身穩(wěn)定及轉(zhuǎn)向功能。76.2硬件設(shè)計

2、電路設(shè)計輪式巡線機器人系統(tǒng)的電路主要包括主控板、傳感器、電源、驅(qū)動器等組成。86.2硬件設(shè)計

（1）主控板為了完成輪式巡線機器人的控制，主控板選用STM32單片機開發(fā)板。與MCS-51等單片機相比運算速度更快、集成度更高、對數(shù)據(jù)量的處理功能更強大，具有高性能、低功耗、低成本等特性，較適合用于小型機器人的開發(fā)。96.2硬件設(shè)計

（2）驅(qū)動器的選擇適合輪式機器人驅(qū)動的方式主要有速度舵機和直流電機等方式。其中，直流電機轉(zhuǎn)速快、力矩大，更加適合快速移動、負重要求較高的機器人；速度舵機控制精度較高，更加適合機械臂、抓手等高精度定位的領(lǐng)域。106.2硬件設(shè)計

（3）電源模塊穩(wěn)定的供電電壓是保障硬件電路穩(wěn)定工作的前提。主控制板芯片的工作電壓為2-3.6V，舵機和小直流電機的工作電壓為4.8-7.2V，選擇了額定電壓為7.4V的2S鋰電池供電。116.2硬件設(shè)計

（4）傳感器輪式巡線機器人的傳感器主要用于探測，白色地圖中黑色邊界線，所以選用型號為SEN1595的灰度傳感器。126.2硬件設(shè)計

（5）電路連接架構(gòu)輪式巡線機器人控制電路的主要硬件及其主要參數(shù)確定后，可參考下圖將各硬件相連組成機器人的控制系統(tǒng)，進行各模塊的測試。136.3軟件開發(fā)環(huán)境

Keil是一款基于微控制器的軟件開發(fā)平臺，是目前ARM內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些功能組合在一起。146.3軟件開發(fā)環(huán)境

1、KeilMDK開發(fā)環(huán)境的安裝（1）安裝mdk_514.exe以管理員身份安裝，右鍵點擊出現(xiàn)下圖的界面，并根據(jù)提示完成安裝。156.3軟件開發(fā)環(huán)境

（2）安裝Keil.STM32F1xx_DFP.1.0.5.pack為了能在KEIL中對STM32M3進行正常的編程及編譯，需要繼續(xù)安裝相關(guān)的庫函數(shù)包。166.3軟件開發(fā)環(huán)境

2、下載及調(diào)試軟件（1）代碼下載及調(diào)試程序編譯好后，需要將編譯后的hex文件下載到STM32開發(fā)板的主控CPU，程序才能運行，執(zhí)行相關(guān)動作。STM32開發(fā)板下載程序的方法有串口下載和J-Link下載。如果通過J-Link下載器進行下載，則需要準備J-Link下載器。176.3軟件開發(fā)環(huán)境

2、下載及調(diào)試軟件（2）代碼調(diào)試機器人調(diào)試的過程中，遇到問題需要進一步確認原因，此時需要可視化的調(diào)試工具。186.4STM32的I/O端口的應用

STM32-M3單片機有7組16位的并行I/O口：PA、PB、PC、PD、PE、PF、PG，共112個，這些端口既可以作為輸入（Input），也可以作為輸出（Output）；可按16位處理，也可按位方式（1位）使用。如果將PA-PG口作為輸入或輸出時，需要先進行相關(guān)的配置。STM32的部分有復用功能，既有普通的輸入輸出口功能，又能作為串口等復用功能。196.4STM32的I/O端口的應用

一、I/O端口的配置及使用1、I/O端口配置在KeilMDK的頭文件“stm32f10_gpio.h”里，端口定義按照下面的結(jié)構(gòu)體操作：typedefstruct{u16GPIO_Pin;GPIOSpeed_TypeDefGPIO_Speed;GPIOMode_TypeDefGPIO_Mode;}GPIO_InitTypeDef;。206.4STM32的I/O端口的應用

2、驅(qū)動發(fā)光二極管配置好端口后，可以通過程序設(shè)置端口輸出電平的高低，這里以端口接一個發(fā)光二極管為例。要求當端口輸出低電平時，發(fā)光二極管亮；端口輸出高電平時，發(fā)光二極管滅。#include"stm32f10x.h"#include"led.h"#include"delay.h"intmain（void）{LED_Init（）;//初始化LED，包括端口配置SysTick_Init（）;//初始化時鐘while（1）{GPIO_SetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出高電平Delay_ms（1000）;//延時500msGPIO_ResetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出低電平Delay_ms（1000）;//延時500ms}}216.4STM32的I/O端口的應用

2、驅(qū)動發(fā)光二極管配置好端口后，可以通過程序設(shè)置端口輸出電平的高低，這里以端口接一個發(fā)光二極管為例。要求當端口輸出低電平時，發(fā)光二極管亮；端口輸出高電平時，發(fā)光二極管滅。#include"stm32f10x.h"#include"led.h"#include"delay.h"intmain（void）{LED_Init（）;//初始化LED，包括端口配置SysTick_Init（）;//初始化時鐘while（1）{GPIO_SetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出高電平Delay_ms（1000）;//延時500msGPIO_ResetBits（GPIOD，GPIO_Pin_5）;//PB5輸出低電平Delay_ms（1000）;//延時500ms}}226.4STM32的I/O端口的應用

二、PWM波產(chǎn)生驅(qū)動電機和舵機需要PWM波來來實現(xiàn)能量、信號等參數(shù)的調(diào)節(jié)。通過對IO口輸出固定頻率的高低電平，是常見的PWM波生成方法，這種方法較適合固定占空比的PWM波。如果機器人在行走過程中需要調(diào)速，則一般考慮由定時器產(chǎn)生PWM波。STM32的定時器除了TIM6和TIM7，其他的定時器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。其中高級定時器TIM1和TIM8可以同時產(chǎn)生7路的PWM輸出。而通用定時器也能同時產(chǎn)生4路的PWM輸出。236.4STM32的I/O端口的應用

三、舵機和電機驅(qū)動1、I/O口驅(qū)動舵機控制電機運動轉(zhuǎn)速的是高電平持續(xù)的時間，當高電平持續(xù)1.5ms時，該脈沖序列發(fā)給經(jīng)過零點標定后的舵機，舵機不會旋轉(zhuǎn)。當高電平持續(xù)時間為1.3ms時，電機順時針全速旋轉(zhuǎn)，當高電平持續(xù)時間1.7ms時，電機逆時針全速旋轉(zhuǎn)。下面介紹如何給STM32微控制器編程使PD端口的第9、10腳（PD9、PD10）產(chǎn)生舵機的控制信號。246.4STM32的I/O端口的應用

三、舵機和電機驅(qū)動2、I/O口驅(qū)動直流電機直流電機工作時由于需要的電流較大，通常要用到電機驅(qū)動器。電機工作電壓大小和電機轉(zhuǎn)動速度有一定的關(guān)系。電機可以實現(xiàn)正傳和反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)取決于電源的供電（+或者-）；電機的速度也可以通過PWM波等方式調(diào)速實現(xiàn)。電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2調(diào)速使能ENM1正轉(zhuǎn)高低PWM調(diào)速反轉(zhuǎn)低高停止低低256.4STM32的I/O端口的應用

四、傳感器數(shù)據(jù)采集1、讀取數(shù)字灰度傳感器STM32單片機接數(shù)字式灰度傳感器，實際上是使用STM32單片機I/O口的輸入功能。當遇到黑線時，傳感器返回高電平；當遇到白線時，傳感器返回低電平。2、讀取模擬灰度傳感器當機器人行走的地圖顏色情況較多，不是只有黑白兩種狀態(tài)時，這時就要借助模擬傳感器獲取不同顏色的灰度信息，并據(jù)此判斷地圖顏色信息。模擬傳感器產(chǎn)生的信號是模擬信號，由于單片機只能處理數(shù)字信號，不能直接讀取模擬信號。因此，要將模擬灰度傳感器的信號