基于STM32的双足避障机器人设计

鲁红权，刘秋鹤，史涛

（华北理工大学,河北唐山,063000）

基于STM32的双足避障机器人设计

鲁红权，刘秋鹤，史涛

（华北理工大学,河北唐山,063000）

本文计了一种基于STM32的双足避障机器人，机器人主体使用超轻材质的铝合金搭建，结构稳定可靠，环境适应能力强。采用高性能的STM32单片机为系统主控芯片，配合外围传感器信息采集系统和舵机驱动控制系统，能够完成自主行走，躲避障碍，路径规划等任务。经实验验证，该机器人系统能很好的实现自主避障行走，可以有效减少机器人在避障行走中对环境的依赖性，满足设计要求。

STM32；双足避障机器人；路径规划

0 引言

直立双足机器人汇集了计算机、电子、通信、自动控制、传感器等多各领域的尖端技术,代表了机电一体化的最高成就,是当代科技研究的热点之一。直立双足机器人有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定，能够适合各种不同的操作环境，是机械、电子、信息、光检测为一体的集合。直立双足机器人控制及其相关技术研究，在机器人研究领域中有着重要的理论研究价值，并且相关研究成果与现实社会联系紧密，有着不可忽视的现实意义。

1 系统概述

依据双足直立避障机器人的研究课题设计要求，这种机器人应具有结构稳定可靠，运动灵活；硬件结构紧凑，模块化分明，可拓展性强；软件实时性强，运行稳定等特点。本文所设计的双足直立避障机器人，使用运行稳定可靠的STM32单片机为主控芯片，以17KG大扭矩舵机为肢体驱动动力。具有系统运行稳定可靠，行走平稳流畅等特点。该机器人能实现以下功能。

（1）障碍物检测，能检测出所行走环境中的障碍物，并对障碍物的方位和距离做出准确测量。

（2）自主直立行走，以舵机为驱动动力，在驱动器的控制之下完成直线行走，向左转弯，向右转弯。

（3）路径规划，根据传感器系统检测到的障碍物信息，通过算法对所行进的路径做出规划。

整个机器人系统设计可分为硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统的设计以结构紧凑，模块独立，易于拓展为原则；软件系统以实时性强，运行稳定可靠为依据，这使得整个机器人系统在稳定性，可靠性，实用性等方面得到了很大的提升。

2 硬件系统设计

为保证整体系统的模块独立和易拓展性，系统硬件主要划分为六个部分进行设计：系统主控部分，传感器检测部分，舵机驱动部分，外设部分，通信部分和供电部分。

（1）主控部分

主控部分使用的单片机是STM32F103VET6，因为单片机最小控制系统对电源的要求很高，所以设计了单独的电源系统，通过使用低纹波稳压器和滤波器保证单片机电源的稳定性，为单片机提供一个干净的电源，保证其正常工作不受干扰。主控部分硬件电路为中，为其它部分电路设计了接入的端口，使硬件系统模块化分明，拓展性增强。

（2）传感器部分

传感器部分由检测障碍物的超声波传感器和保持云台平衡的姿态传感器共同构成。超声波模块使用的是US-100系列测距传感器，该传感器自带温度补偿，能有效抵消掉因环境温度变化对检测距离带来的误差。姿态传感器使用的是具有三轴陀螺仪三轴加速度计的MPU6050传感器，该传感器使用I2C通信方式，能准确测得当前云台的实际角度，使得云台能始终保持水平，以此保证超声波传感器检测到的是到障碍物的水平距离。

（3）舵机驱动部分

舵机驱动部分是使用大功率降压管将电压稳定到舵机的工作电压，并设计了保险丝以防止舵机因功率过大或堵转发生烧毁的危险事情发生。舵机驱动部分通过由主控部分发来的控制信号驱动。该部分所选用舵机是17KG大扭矩数字电机，它具有扭矩大，响应迅速，运行稳定的优点。

（4）外设部分

外设部分主要由按键和OLED显示器构成，负责完成机器人系统参数的设定，工作模式的选择等。

（5）通信部分

通信部分主要完成机器人运行数据及控制命令的传输。

（6）电源部分

电源部分使用的是容量大，体积下，质量轻的锂电池，该电池能承受较大电流，保证系统不会因舵机启动电流较大而发生意外。

3 软件系统设计

软件系统是基于STM32F103VET6单片机平台和KEIL软件开发环境设计的。在设计中为保证软件系统的稳定性与实时性，对各个功能部分进行封装，分模块进行设计，为每个功能模块设计标准的应用接口，这样在函数调用时只需调用所需功能模块即可，在开发过程中如需变动某些功能也只需改变相应功能模块即可。

软件系统设计可细分为六个模块：控制与决策模块，云台控制模块，信息采集与处理模块，系统菜单模块，数据通行模块和运动控制模块。

（1）控制与决策模块

该模块是机器人工作的中枢与大脑，它的稳定与否直接影响到机器人系统的整体运行，他负责整个系统的工作协调，包括对传感器采集到的障碍物信息做出处理，通过模糊控制算法做出路径规划，进而做出动作决策，将所要执行的动作指令传送给运动控制部分。同时还要将系统中一些重要数据通过数据通讯模块发送出去。当系统菜单模块向该模块发出通信请求时，需要将当前工作悬挂，处理系统菜单模块发来的参数设置任务。

（2）云台控制模块

系统中为保证障碍物测量信息的准确性，需要将超声波传感去架设在云台上，该模块主要负责使超声波传感器保持在水平位置，通过姿态传感器检测到的数据，获得当前云台的状态信息，如果水平角度与预设值有偏差，将通过模块中的PID控制算法，迅速调整云台至指定角度。

（3）信息采集模块

该模块主要控制系统中的超声波模块，定时对机器人前方视野范围进行检测，并对检测到的信息进行记录存储，每完成一次检测任务，就与控制与决策模块通信，报告障碍物信息已更新完成，请求处理数据。

（4）系统菜单模块

系统菜单设计的主要内容是，通过对按键和屏幕的控制，使人和单片机进行数据交互，主要完成参数设置和模式选择。

（5）数据通信模块

数据通模块负责实时将系统重要数据发送到上位机，并在接收到上位机控制指令后，与控制与决策模块通信，处理接收到的指令。

（6）动作控制模块

动作控制模块的任务是负责机器人的行走动作控制，直线行走，左转弯或右转弯，它作为底层函数受控制与决策模块控制，只有在接收到控制与决策指令时，该模块才会做出相应控制，其它时刻使机器人保持原来姿态不改变。

4 调试与分析

在硬件系统设计与软件系统设计都完成后，我们对所设计机器人进行了整体调试，调试结果如下。

（1）检测部分

传感器系统和云台系统作为机器人的眼睛，负责检测机器人行进道路上的障碍，在实验室调试过程中，云台工作正常，超声波传感器检测到的数据与实际相符合，该部分经调试满足设计要求。

（2）直立行走部分

动作控制模块在接收到控制器指令后做出相应控制，完成机器人的各种行动。经实验调试，在无障碍设定下，机器人可有效完成直立行走任务。

（3）控制决策部分

控制器将采集的各项信息通过模糊控制器推理后进行PID计算来控制机器人转动角度，做出动作决策，将所要执行的动作指令传送给运动控制部分。经测试，机器人可有效完成固定区域内的避障行走，实现路径规划，满足设计要求。

5 结论

本文设计了一种基于STM32的直立双足机器人，整个设计方案包括机器人选型组装、硬件电路设计以及软件控制算法的设计和实现。经过测试表明，本设计能够有效完成直立行走和智能避障的设计要求，基本完成预期目标。同时，在此研究基础上可以进一步完善模糊PID算法在机器人控制系统中的应用，进一步延伸设计的研究价值。

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Design of Obstacle Avoidance Biped Robot based on STM32

Lu Hongquan, Liu Qiuhe, Shi Tao
（North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei,063000）

This paper describes an obstacle avoidance biped robot based on STM32 ,the main body of the robot is built up with ultra-light aluminum alloy , stable and reliable , which has a strong ability to adapt to the environment.The design uses high-performance STM32 microcontroller for the system master chip, with the external sensor information acquisition system and servo drive control system, to complete the autonomous walking, obstacles avoiding, path planning and other tasks.Experiments show that the robot system can achieve a good self - avoidance walking, which can effectively reduce the dependence on the environment in obstacle avoidance.These meet the design requirements well.

STM32; obstacle avoidance biped robot; path planning

鲁红权（1994—），男，河北唐山人，研究方向：智能机器人控制。

刘秋鹤（1993-)，女，河北保定人，研究方向：智能机器人控制。