基于STM32F1的智能巡航机器人设计施

翔宇 顾光荣 刘海宇 陈隆基

摘 要：互联网浪潮的推动下，安防等问题得到了人们的重视，为了减轻巡检的人力和财力的成本，从而为工厂等提供安全与便利，从而推动和谐社会建设。本文详细介绍了基于STM32F1的智能巡航机器人的设计。

关键词： STM32;机器人;巡航

引言

从2013年德国提出工业4.0开始，机器人技术的迅猛发展促使工业智能化快速实现。而“人机协同”是下一步工业机器人产业亟待解决的问题，目前的工业机器人移动能力不够完善，操作方法不够灵活，自主化程度也不高[1]。

基于以上在机器人领域出现的新情况和遇到的新问题，本文基于STM32F1的巡航机器人的设计研究进行阐述。轮式机器人能够实现自主移动是指在无人操作的特定环境中，能够完成一系列特定的事件，通过机器人自身搭载的控制系统，并应用环境感知技术进行多种数据信息的处理，最终实现机器人的自主决策、独立执行，要求能偶躲避各种随机障碍、规避潜在风险[2]。

一、巡航机器人的整体系统设计

本文提出的巡航机器人主要运用于工厂车间、教学楼、仓库等重视安全保障的场所。该机器人以轮式机器人为主体，主要组成部分有运动部分、控制部分、检测部分、信息传输部分和电源管理部分。其中运动部分由机器人底盘、直流电机、橡胶车轮组成。控制部分由STM32单片机作为微处理器，控制各个部分的协调工作。检测部分由摄像头和超声波探测器组成，主要用于循迹、躲避障碍物、识别障碍物。信息传输部分采用WIFI无线模块与上位机进行通信，及时反映机器人的状态以及巡航情况。通过控制部分将整个系统紧密结合起来，从而实现自动巡航、自动报警、远程监控等功能。它可以帮助人们自动巡检办公楼或者其他需要安全保障措施的场所，按照程序设计的规定，对指定的区域进行定时巡检[3]。

二、运动部分设计

轮式机器人的运动底板采用钣金制作而成，具备良好的可靠性。控制芯片采用STM32F103ZET6。该芯片采用Cortex-M3内核，主频最高可达72Mhz，拥有丰富的外部接口，多个基本和高级定时器。整个运动有四个直流电机完成。直流电机具备易于控制、成本低等多个有点。采用四个直流电机可以充分提高轮式机器人的灵活性，从而应对不同的使用场合。直流电机驱动采用常见的H桥，这种驱动方式具有控制简单，逻辑清晰，效率高等优点。其中控制算法采用比例积分微分算法，即PID算法。通过PID闭环控制，提高系统的鲁棒性，能够使得系统的控制更加具有稳定性。

三、循迹部分设计

巡航机器人能够完成既定的巡航任务，需要良好的循迹功能作为保障。该巡航机器人的循迹采用摄像头循迹。通过综合考虑多种方案，本文提出的巡航机器人采用OpenMV。OpenMV采用Python编程，Python语言具有很强的移植性。這种模块具备丰富的可调用库，强大的数据处理能力。通过OpenMV抓取有效的图像信息，分析前进过程中的状况，将路况上传给处理器，由处理器做出判断。根据程序设计的逻辑完成既定的动作。针对不同的路况，论事机器人采取不同的处理方案，从而达到运动控制的目标。

四、检测及信息传输部分设计

在人类的身体结构中，眼睛可以使我们非常方便的获取外界环境的信息，然后把信息及时地传输到大脑，并对外界环境信息的变化作出相应的处理。对于巡航机器人来说，避障模块之于巡航机器人，就像眼睛之于人类。避障模块可以采集外部的环境数据，然后把所采集的数据传输给中央处理器模块，从而实现躲避障碍物的功能。避障功能主要依托于超声波传感器来完成。超声波传感器具有测量精度高，成本低，易于维护和替换的优点。故采用HC-SR04超声波模块来实现避障。避障功能能够让巡航机器人在安全稳定的状况下工作，从而提高机器人的使用寿命。除此以外，通过四个超声波模块，该机器人可以实现室内定位，这一套室内定位技术可以帮助巡航机器人记录历史巡航轨迹、明确自身在环境中的位置。

信息传输设计部分设计，主要由WIFI模块完成，本文提出的机器人采用ESP8266作为传输模块，这种模块广泛适用于物联网技术，依托于物联网技术的启发，由OpenMV将处理后的数据传输给ESP8266，再经过ESP8266传输给上位机，从而实现了远程监控，提高了巡检工作的灵活性。

五、电源管理部分

本系统采用锂电池供电，通过电源管理芯片，将电压分为三个等级，分别给电机、传感器、处理器进行供电，从而达到电源效率最优的目标，为系统的高效运行提供保障。

六、软硬件设计及仿真

硬件设计部分采用AltiumDesigner软件绘制硬件电路板以及各个模块的接口电路。硬件电路板主要包括了主控芯片部分、电机驱动部分、电源管理部分。采用AutoCAD绘制巡航机器人的底板，使机器人的硬件结构保持稳定。

软件编程采用Keil软件来完成，利用C语言来配置STM32的各个寄存器，合理的设置控制逻辑，从而实现程序控制，使机器人实现巡航的功能。

七、结论

本控制系统以STM32作为控制芯片，在设计实现的过程中，充分结合现代物联网技术，利用WIFI无线传输技术实现了远程监视，利用超声波定位技术实现了自主移动。为巡航机器人系统设计提供了参考，今后在此巡航机器人的基础上，再加入电子技术、计算机技术以及人工智能技术等多学科技术，能够使此智能巡航机器人更加自主、更加精确、更加智能地为人类服务。

参考文献：

[1]沈林成，徐昕，朱华勇，等。移动机器人自主控制技术理论与技术[M].北京;科学出版社，2011.

[2]宋永端，李丹勇，蔡文川.移动机器人机器自主化技术[M].北京;机械工业出版社，2012

[3]石晓木 一种轮式移动机器人控制系统设计与实现. 中国海洋大学硕士学位论文，2006.