0 簡(jiǎn)介

Hi，大家好，學(xué)長(zhǎng)今天向大家介紹一個(gè) 單片機(jī)項(xiàng)目，大家可用于 課程設(shè)計(jì) 或 畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于stm32的智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 課題背景

隨著人口老齡化的到來(lái)和人民對(duì)提升生活品質(zhì)的需要， 人們對(duì)在現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景中取代人力的服務(wù)機(jī)器人有著迫切的需要。 同時(shí)， 機(jī)電、 自動(dòng)控制、 計(jì)算機(jī)、 傳感器等技術(shù)的發(fā)展也為制造服務(wù)機(jī)器人提供了技術(shù)支持。 掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人中技術(shù)最成熟和最為廣泛使用的機(jī)器人。 它可以自動(dòng)的在室內(nèi)行走， 通過(guò)刷掃和吸塵將地面上的碎屑吸收進(jìn)垃圾收集裝置中， 完成清潔地面的任務(wù)，有效的減少了人們清潔地面這種簡(jiǎn)單重復(fù)的家務(wù)勞動(dòng)， 節(jié)約了勞動(dòng)力， 提高了生活品質(zhì)。 對(duì)于許多忙于工作和生的人來(lái)說(shuō)，掃地機(jī)器人已經(jīng)成為家庭必備的產(chǎn)品。

2 硬件系統(tǒng)總體框架

學(xué)長(zhǎng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)傳統(tǒng)的掃地機(jī)器人，它使用紅外傳感器和超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物，以及一個(gè)MPU6050運(yùn)動(dòng)傳感器來(lái)計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。使用兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)行走，兩邊的編碼器可以通過(guò)計(jì)算編碼器產(chǎn)生的脈沖數(shù)量來(lái)計(jì)算車輪的速度和距離。為了方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程及時(shí)獲取傳感器數(shù)據(jù)和向掃地機(jī)器人發(fā)送開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)命令，連接了一個(gè)ATK-ESP8266WIFI模塊，使用筆記本電腦安裝網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件實(shí)現(xiàn)和WIFI模塊的通訊。該平臺(tái)的動(dòng)力單元為一個(gè)電壓為12V、容量為9000mAh電池包，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供電力，并經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后為控制單元提供動(dòng)力。主控制單元用于控制整個(gè)機(jī)器人，STM32F103ZET6被用作控制芯片，主控單元執(zhí)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制和傳感器數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由于單片機(jī)輸出的電流不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以必須通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)通常使用H橋驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本課題采用了兩塊L298N驅(qū)動(dòng)模塊。L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路。使用了ST公司的原裝全新芯片L298N，采用穩(wěn)定性高的SMT工藝，使用了高質(zhì)量的鋁電解電容，使電路工作穩(wěn)定。作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路3-16V的直流電機(jī)。同時(shí)驅(qū)動(dòng)板還提供了5V電源輸出接口，可以用于5V單片機(jī)的電路系統(tǒng)供電。支持3.3VMCUARM控制，可以通過(guò)單片機(jī)方便的控制直流電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，也可以用于控制2相步進(jìn)電機(jī)，5線4相步進(jìn)電機(jī)。

雖然L298N驅(qū)動(dòng)板可以個(gè)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，但長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率條件下，驅(qū)動(dòng)板可能出現(xiàn)過(guò)熱、燒板等問(wèn)題。為了提高硬件系統(tǒng)穩(wěn)定性，本課題中使用兩塊L298N驅(qū)動(dòng)板，一塊驅(qū)動(dòng)板控制一個(gè)電機(jī)。L298N驅(qū)動(dòng)板的IN3IN4EN2OUT3OUT4直接浮空，VCC輸入12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源正極，負(fù)極接GND，VCC5V接5V電源正極，負(fù)極接地，EN1IN1連接STM32控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和啟停，IN2輸入PWM波。OUT1OUT2連接電機(jī)。

2.2 紅外線傳感器

這次的項(xiàng)目中， 學(xué)長(zhǎng)設(shè)計(jì)通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)掃地機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向是否有障礙物， 從而實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的自動(dòng)避障的功能。 選用的E18-D80NK 型紅外傳感器電路如圖所示。

紅外傳感器使用 5V 電源供電， STM32 通過(guò)讀取黃色信號(hào)線的高低電平確定是否存在障礙物， 感應(yīng)距離可以通過(guò)紅外傳感器上的旋鈕在 3-77cm 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。 在電路設(shè)計(jì)中在輸出端黃線加上拉電阻 10K 到 5V 電源， 再接入單片機(jī)檢測(cè)， 會(huì)比較穩(wěn)定。

2.3 超聲波傳感器

學(xué)長(zhǎng)選用US-100 超聲波測(cè)距模塊， US-100 超聲波測(cè)距模塊能夠通過(guò)自帶的溫度傳感器測(cè)量溫度并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正。 可以通過(guò)GPIO或串口與單片機(jī)通信， 性能穩(wěn)定。

US-100 超聲波測(cè)距模塊具有1個(gè)模式選擇跳線和5Pin接口， 本課題使用串口模式， 必須插上跳線帽， 5個(gè)接口1號(hào)Pin接VCC 5V電源， 2號(hào)Pin接外部電路UART 的 TX 端， 3號(hào)Pin接外部電路UART的 RX 端， 4號(hào)Pin接外部電路的地。5 號(hào)Pin接外部電路的地。

2.4 MPU6050

MPU6050 是全球首例 9 軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器， 它集成了 3 軸 MEMS 陀螺儀， 3 軸 MEMS 加速度計(jì)， 以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP。

MPU6050 電路連接圖

2.5 ATK-ESP8266 WI FI 模塊

ATK-ESP8266是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi（串口-無(wú)線）模塊， ATK-ESP8266板載ai-thinker公司的ESP8266模塊。

ATK_ESP8266 模塊電路連接圖

2.6 電源管理模塊

電源管理模塊用于給控制系統(tǒng)個(gè)電路模塊供電， 由于電池電壓為 12V， 主控芯片供電電壓為 3. 3V， 不能直接為主控芯片供電， 同時(shí)部分外部功能模塊需要 5V 電壓供電， 因此本課題設(shè)計(jì)有降壓電路、 電壓選擇電路和 3. 3V/5V 輸出電路， 可以滿足控制系統(tǒng)的供電需要。 DC_IN 用于外部直流電源輸入， 范圍是DC6~24V， 輸入電壓經(jīng)過(guò) MP2359 芯片轉(zhuǎn)換為 5V 電源輸出， 其中 D4 是防反接二極管， 避免外部直流電源極性搞錯(cuò)的時(shí)候， 燒壞控制系統(tǒng)電路。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)長(zhǎng)設(shè)計(jì)的整體軟件架構(gòu)如下：

3.1 MPU6050 數(shù)據(jù)讀取

MPU6050 傳感器內(nèi)部包含陀螺儀和加速度計(jì)， 而且自帶了數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，即 DMP通過(guò) InvenSense 提供的 MPU6050 嵌入式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)庫(kù)， 可以將陀螺儀和加速度計(jì)的原始數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出， 通過(guò)四元數(shù)轉(zhuǎn)換可以直接計(jì)算出歐拉角從而得到： 航向角（yaw） 、 橫滾角（roll） 和俯仰角（pitch）。

學(xué)長(zhǎng)這里選定了以 I2C 通信對(duì) MPU6050 的 DMP 輸出的四元數(shù)進(jìn)行讀取。

初始化 I2C 接口, 編程代碼下

1 void HmcIICInit(void)
2.{
3. /*GPIO 初始化*/
4. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
5. /* 配置硬件 IIC 需要的變量 */
6. I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure;
7.
8. /* 使能與 I2C1 有關(guān)的時(shí)鐘 */
9. RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE );
10. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1,ENABLE);
11.
12. /* PB6-I2C1_SCL、 PB7-I2C1_SDA*/
13. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
14. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
15. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
16. GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
17.
18. /*IIC 外設(shè)初始化*/
19.
20. /* I2C 配置 */
21. I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C ; //配置為普通 IIC 模式
22. //I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
23.//I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = SlaveAddress;
24. I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; //使能自動(dòng)應(yīng)答
25. I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
26. I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000; //5K 的速度
27.
28.
29. /* I2C1 初始化 */
30. I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
31.
32. /* 使能 I2C1 */
33. I2C_Cmd (I2C1,ENABLE);
34. /*允許應(yīng)答模式*/
35. I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);

配置系統(tǒng)時(shí)鐘源并使能角速度傳感器和加速度傳感器， 代碼實(shí)現(xiàn)如下：

1. u8 MPU_Init(void)
2. {
3. u8 res;
4. IIC_Init();//初始化 IIC 總線
5. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80); //復(fù)位 MPU6050
6. delay_ms(100);
7. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00); //喚醒 MPU6050
8. MPU_Set_Gyro_Fsr(3); //陀螺儀傳感器, ±2000dps
9. MPU_Set_Accel_Fsr(0); //加速度傳感器,±2g
10. MPU_Set_Rate(50); //設(shè)置采樣率 50Hz
11. MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG, 0X00); //關(guān)閉所有中斷
12. MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C 主模式關(guān)閉
13. MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); //關(guān)閉 FIFO
14. MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT 引腳低電平有效
15. res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
16. if(res==MPU_ADDR)//器件 ID 正確
17. {
18. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG, 0X01); //設(shè)置 CLKSEL, PLL X 軸為參考
19. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT2_REG, 0X00); //加速度與陀螺儀都工作
20. MPU_Set_Rate(50); //設(shè)置采樣率為 50Hz
21. }else return 1;
22. return 0;
23. }
24. //設(shè)置 MPU6050 陀螺儀傳感器滿量程范圍
25. //fsr: 0,±250dps;1,±500dps;2, ±1000dps;3,±2000dps
26.//返回值:0, 設(shè)置成功

3.2 超聲波傳感器數(shù)據(jù)讀取

編寫(xiě)超聲波發(fā)送函數(shù)， 串口發(fā)送0X55到超聲波模塊。相關(guān)代碼如下；

1. void uart_init(u32 bound) {
2. //GPIO端口設(shè)置
3. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
4. USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
5. NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
6.
7. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1| RCC_APB2Periph_GPIOA,  ENABLE) ;
//使能USART1， GPIOA時(shí)鐘
8. //USART1_TX PA. 9
9. GPIO_InitStructure. GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA. 9
10. GPIO_InitStructure. GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
11. GPIO_InitStructure. GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //復(fù)用推挽輸出
12. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure) ;
13.
14.//USART1_RX PA. 10
15. GPIO_InitStructure. GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
16. GPIO_InitStructure. GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空輸入
17. GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure) ;
18.
19. //Usart1 NVIC 配置
20.
21. NVIC_InitStructure. NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
22. NVIC_InitStructure. NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ; //搶占優(yōu)先級(jí)3
23. NVIC_InitStructure. NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //子優(yōu)先級(jí)3
24. NVIC_InitStructure. NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通
道使能
25. NVIC_Init(&NVIC_InitStructure) ; //根據(jù)指定的參數(shù)初始化VIC寄存器
26.
27. //USART 初始化設(shè)置
28.
29. USART_InitStructure. USART_BaudRate = bound; //一般設(shè)置為9600;
30. USART_InitStructure. USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)格式
31. USART_InitStructure. USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一個(gè)停止位
32. USART_InitStructure. USART_Parity = USART_Parity_No; //無(wú)奇偶校驗(yàn)位
33. USART_InitStructure. USART_HardwareFlowControl  =
USART_HardwareFlowControl_None; //無(wú)硬件數(shù)據(jù)流控制
34. USART_InitStructure. USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收發(fā)模
式
35.
36.USART_Init(USART1, &USART_InitStructure) ; //初始化串口
37. USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE) ; //開(kāi)啟中斷
38. USART_Cmd(USART1, ENABLE) ; //使能串口
39.
40. }

3.3 電機(jī)控制

3.3.1 PID控制

掃地機(jī)器人在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)， 主要對(duì)航向角進(jìn)行控制， 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到地面阻力、 碰撞等各種因數(shù)的影響， 無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)編寫(xiě)算法對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行精確的控制， 所以本課題中使用 PID 控制算法對(duì)掃地機(jī)器人進(jìn)行控制。

PID（比例（proportion） 、 積分（integral） 、 導(dǎo)數(shù)（derivative） ） 控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有近百年歷史， 現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。 PID 控制器簡(jiǎn)單易懂， 使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件， 因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。

PID流程

PID實(shí)現(xiàn)

struct _pid{
    float SetSpeed;            //定義設(shè)定值
    float ActualSpeed;        //定義實(shí)際值
    float err;                //定義偏差值
    float err_last;            //定義上一個(gè)偏差值
    float Kp,Ki,Kd;            //定義比例、積分、微分系數(shù)
    float voltage;            //定義電壓值（控制執(zhí)行器的變量）
    float integral;            //定義積分值
    float umax;
    float umin;
}pid;

void PID_init(){
    printf("PID_init begin \n");
    pid.SetSpeed=0.0;
    pid.ActualSpeed=0.0;
    pid.err=0.0;
    pid.err_last=0.0;
    pid.voltage=0.0;
    pid.integral=0.0;
    pid.Kp=0.2;
   pid.Ki=0.1;       //注意，和上幾次相比，這里加大了積分環(huán)節(jié)的值
    pid.Kd=0.2;
    pid.umax=400;
    pid.umin=-200;
    printf("PID_init end \n");
}
float PID_realize(float speed){
    int index;
    pid.SetSpeed=speed;
    pid.err=pid.SetSpeed-pid.ActualSpeed;

   if(pid.ActualSpeed>pid.umax)  //灰色底色表示抗積分飽和的實(shí)現(xiàn)
    {

       if(abs(pid.err)>200)      //藍(lán)色標(biāo)注為積分分離過(guò)程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err<0)
            {
              pid.integral+=pid.err;
            }
        }
    }else if(pid.ActualSpeed<pid.umin){
        if(abs(pid.err)>200)      //積分分離過(guò)程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            if(pid.err>0)
            {
            pid.integral+=pid.err;
            }
        }
    }else{
        if(abs(pid.err)>200)                    //積分分離過(guò)程
        {
            index=0;
        }else{
            index=1;
            pid.integral+=pid.err;
        }
    }

    pid.voltage=pid.Kp*pid.err+index*pid.Ki*pid.integral+pid.Kd*(pid.err-pid.err_last);

    pid.err_last=pid.err;
    pid.ActualSpeed=pid.voltage*1.0;
    return pid.ActualSpeed;
}

3.4 掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃

3.4.1 弓字型行走

在沒(méi)有障礙物或房間結(jié)構(gòu)變化不大的情況下， 掃地機(jī)器人可應(yīng)用巡航路徑規(guī)劃算法。

步驟 1

掃地機(jī)器人從 MPU6050 模塊獲得偏航角， 并將此偏航角設(shè)定為參考角。然后掃地機(jī)器人在基于參考角調(diào)整偏航角的同時(shí)開(kāi)始向前移動(dòng)。 距離 D 由編碼器記錄， D 的值將被分配給一個(gè)名為 pre_Walkingcount 的變量。 當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物的存在時(shí)， 機(jī)器人會(huì)降低速度以避免碰撞發(fā)生。 如果紅外傳感器返回低電平， 則該算法切換到步驟 2。

步驟 2

機(jī)器人向左旋轉(zhuǎn) 90 度。 然后 機(jī)器人用編碼器記錄向前移動(dòng)的距離 d。如果 d＝ Ic ，代表掃地機(jī)器人的清潔端口的寬度， 機(jī)器人再向左旋轉(zhuǎn) 90 度。 之后， 算法切換到步驟 3。 步驟 2 的編程實(shí)現(xiàn)中， 編寫(xiě)了實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人左轉(zhuǎn) 90°函數(shù) Left_turn()和直行 的函數(shù) Straight_go()。

步驟 3

步驟 3 類似于步驟 1， 但方向相反。 當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物時(shí)， 將距離 D與變量 pre_Walkingcount 進(jìn)行比較。 比較的結(jié)果將決定重新覆蓋算法是否工作。如 果 D＝ pre_Walkingcount， 算 法切 換 到 步 驟 4， D 值將 被 分 配 給變 量
pre_Walkingcount。 通過(guò)與前面的距離進(jìn)行比較， 機(jī)器人可以決定要運(yùn)行哪種算法。

步驟 4

機(jī)器人向右轉(zhuǎn) 90 度。 然后機(jī)器人用編碼器記錄向前移動(dòng)的距離 d。 如果 d＝ Ic ， 機(jī)器人向右轉(zhuǎn)動(dòng) 90 度。 之后， 算法切換到步驟 1， 并開(kāi)始另一個(gè)新的循環(huán)

4 測(cè)試

機(jī)器人路徑主要基于弓字形路徑， 利用重復(fù)覆蓋算法對(duì)障礙物后方的區(qū)域進(jìn)行清洗。 與具有隨機(jī)避障算法的掃地機(jī)器人相比， 新算法的機(jī)器人能夠覆蓋94. 61%的地面， 提高了掃地機(jī)器人的效率。

展示視頻

5 最后

到了這里，關(guān)于單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì) stm32智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！