【文章內(nèi)容簡介】 重的自動(dòng)機(jī)器人，而普通的電機(jī)達(dá)不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)來 6 實(shí)現(xiàn)普通電機(jī)的這個(gè)缺陷。對(duì)于升降機(jī)構(gòu)，為了增強(qiáng)它的承載能力，我們借鑒電梯的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)滑式滑塊。圖 3 為手動(dòng)機(jī)器人的整體簡易三維圖。 圖 3 手動(dòng)機(jī)器人整體三維圖 Manual machine 3D figure as a whole 方向盤的設(shè)計(jì)與討論 為了把方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為編碼器的 信號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)方向盤時(shí)必須充分考慮如何把方向盤與編碼器連接起來 才能使方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)與編碼器一致，其次，要在方向盤上安裝了按鍵方便操作 ，而且還要 設(shè)計(jì)方向盤具有自動(dòng)回正裝置，即當(dāng)操作者從方向盤松開手時(shí)，方向盤會(huì) 自動(dòng)回到初始位置使編碼器轉(zhuǎn)角信號(hào)歸零 。 方向盤機(jī)構(gòu)總體圖如圖 45 所示 圖 4 方向盤與編碼器的連接方式 Steering and connection way of the encoder 7 圖 5 方向盤安裝后的實(shí)物圖 Physical picture of the steering wheel is installed 棘輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與討論 手動(dòng)機(jī)器人要通過升降平臺(tái)抬起 15kg 的采集機(jī)器人，在上升或者下降階段我們只要控制升 降電機(jī)，但是升降平臺(tái)停止在某一高度 時(shí)，即保持抬起采集機(jī)器人停在某 一高度時(shí)，伺服電機(jī)是處于鎖死狀態(tài)。 此時(shí)電機(jī)并沒有停止工作而是通過后軸編碼器反饋信息和 PID 算法調(diào)整反復(fù)運(yùn)行電機(jī)鎖死在了這個(gè)位置。 在 帶有較大負(fù)載 下 電機(jī)處于鎖死狀態(tài)是 非常容易燒毀電機(jī)。 所以 這需要我們想辦法使升降機(jī)構(gòu)抬起一 定高度時(shí)機(jī)械鎖死 并關(guān)閉電機(jī) 。為了解決這個(gè)問題，我們 采用棘輪機(jī)構(gòu)： 在抬起采集機(jī) 器人停在某 一高度時(shí)采用棘輪 鎖死 其位置，當(dāng)其要升降時(shí)機(jī)將其打開，然后啟動(dòng) 升降電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)升降。 圖 6 棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)物圖 Ratchet physical figure 8 3 機(jī)器人自控部分設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于 STM32 單片機(jī)的 手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng) 。本系統(tǒng)主要由中央處理模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 電子方向盤 模塊、 電子剎車模塊、 棘輪 模塊、 LM629 模塊、單片機(jī)模塊、串口模塊、 電子油門 模塊、 通信模塊、 與電 源模塊等 模塊組成。 中央處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它與其它各個(gè)模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進(jìn)行相連。電子方向盤模塊、電子油門模塊、 電子剎車、 按鍵模塊等傳感器輸入部分對(duì)系統(tǒng)外界信息進(jìn)行采集和處理后，將數(shù)據(jù)通過電平信號(hào)、 PWM 信號(hào)等方式發(fā)送到中央處理模塊。 然后按照通信協(xié)議，接口協(xié)議等要求和其他模塊進(jìn)行信息交換， 由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)中的流程圖和所設(shè)計(jì)的算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過輸出 PWM（ Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式 向單片機(jī)模塊發(fā)命令 ， 單 片機(jī)模塊再通過串口通信控制 LM629 模塊從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過電平控制啟動(dòng)模塊的狀態(tài)。從而達(dá)到對(duì)手動(dòng)機(jī)器人各部分的控制。 其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如圖 7所示。 圖 7 系統(tǒng)方框圖 Schematic Block Diagram 9 各模塊 硬件部分設(shè)計(jì) 中央處理模塊 中央處理模塊是整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人的核心環(huán)節(jié)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能算法等的平臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì)中央處理模塊有以下三種方案： 方案一：采用 ATMEL 公司研制的基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控板。 AVR 單片機(jī)是高速 嵌入式單片機(jī) ，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)迅速。其次， AVR 單片機(jī)高性能、低功耗，且其快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，很大程度上優(yōu)化了目標(biāo)代碼所占用的存儲(chǔ)空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā)。 但是 AVR 系列單片機(jī)都不具備硬件正交增量編碼器功能。 方案二：采用 ARM 公司研制的基于最新 Cortex?M3 內(nèi)核的 32 位 ARM7 微處理器STM32 開發(fā)板。 STM32 系列基于專 求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用 專門設(shè)計(jì)的 ARM Cortex?M3 內(nèi)核 。 STM32 專門為工業(yè)控制設(shè)計(jì)擁有比 AVR 單片機(jī)更高的性能且工業(yè)控制硬件功能更加豐富（具有 DMA、硬件正交增量編碼器等），并且開發(fā)工具齊全，開發(fā)環(huán)境更優(yōu)越。 方案三：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人控制性能的要求，在使用方向盤控制底盤電機(jī)的同時(shí)，按鍵也能控制升降電機(jī)和氣動(dòng)裝置。如果僅僅使用一塊 STM32 芯片執(zhí)行所有程序會(huì)造成程序編寫復(fù)雜、芯片負(fù)載過高（堆棧溢出）、響應(yīng)速 度緩慢、端口配置沖突（如 TIM8和 TIM1 不能同時(shí)使用）等問題。這與機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求不符故采用 2 塊 STM32 芯片做分級(jí)系統(tǒng)。共同構(gòu)成中央處理單元從而具有并行處理的能力。這樣在串口通信的前提下既保證了手動(dòng)機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活性，又同時(shí)保證了中央處理模塊的響應(yīng)速度和處理能力。 由于 STM32 單片機(jī)具有更優(yōu)良的性能，同時(shí)分級(jí)系統(tǒng)擁有更高效的控制性能和并行處理能力，所以我們最終選擇方案三作為本設(shè)計(jì)的中央處理模塊。 本設(shè)計(jì)采用 ARM 公司研制的 STM32。 STM32 系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專 門設(shè)計(jì)的 ARM CortexM3 內(nèi)核。頻率達(dá)到 72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的性能是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。 STM32 功耗 36mA，是 32 位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于。 CortexM3 是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì) 的。該處理器采用 ARMv7M 架構(gòu)。 CortexM3 處理器整合了以下組件： 10 (1) ARMv7M： Thumb2 ISA 子集，包含所有基本的 16 位和 32 位 Thumb2 指令， (2) 硬件除法指令， SDIV 和 UDIV（ Thumb2 指令） (3) 處理模式（ handler mode）和線程模式（ thread mode） (4) 可中斷 可繼續(xù)（ interruptiblecontinued）的 LDM/STM， PUSH/POP，實(shí)現(xiàn)低中 斷延遲。 (5) 自動(dòng)保存和恢復(fù)處理器狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn) 低延遲地進(jìn)入和退出中斷服務(wù)程序 (6) 支持 ARMv6 架構(gòu) BE8/LE (7) ARMv6 非對(duì)齊訪問 (8) 嵌套向量中斷控制器（ NVIC）。它與處理器內(nèi)核緊密結(jié)合實(shí)現(xiàn)低延遲中斷處理，并 具有以下特性： 外部中斷可配置為 1～ 240 個(gè) 優(yōu)先級(jí)位可配置為 3～ 8 位 中斷優(yōu)先級(jí)可動(dòng)態(tài)地重新配置 優(yōu)先級(jí)分組。分為占先中斷等級(jí)和非占先中斷等級(jí) 支持末尾連鎖（ tailchaining）和遲來（ late arrival）中斷。這樣，在兩個(gè)中斷 之間沒有多余的狀態(tài)保存和狀態(tài)恢復(fù)指令 的情況下，使能背對(duì)背中斷（ backtoback interrupt）處理。 (9) 處理器狀態(tài)在進(jìn)入中斷時(shí)自動(dòng)保存，中斷退出時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，不需要多余的指令。 圖 8 STM32 外形 The STM32 shape Figure 11 圖 9 STM32 引腳圖 STM32 pin diagram STM32 最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)電路是處理器芯片能工作所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù)位電路、晶振以及調(diào)試接口（這里是 JLink 接口）。因?yàn)?STM32 內(nèi)部包含 128KB 的 FLASH 以及 32KB 的 SRAM，滿足設(shè)計(jì)需要，所以不再進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。如下圖所示是STM32F103VET6 的最小工作系統(tǒng)原理圖。 BT1CR1220 holder14 32B1RESETR210K+3V3C5100nFC420pFC320pFX28MHz (with socket)R11M4 13 2X1 (manufacturer JFVNY)C110pFC210pFMB525 2 11STM32F10X128KEVAL MCUL1BEADC5510uFC5610nFJP9+3V3C60100nFC59100nFC58100nFC61100nFVDDC57100nFPB5PB6PB7PA4PA5PA6PA7R8610K+3V3231SW1R8710K+3V3231SW2PA11PA12PE0PD0PD1PA9PA10PD3PD4PD5PD6PC10PC11PB12PB13PB14PB15PB10PB11PC12PE14RESETPB8PC5PA0PB9PC13PD8PD9PD10PD11PD12PC6PC7PC8PC9R150PE15PE9PE8PE11PE10PE12PE13PA1PC1PC2PC3PD13PD2PE1PB1PB2PA15PB3PD14PB0R8347R840PC4PE2PE3PE4PE5PE6PA3PA13PA14PB4PC0PA2PA8PD7PD15PE7PC14PC15OSC_INOSC_OUTBOOT0VDDAVDDTP8MCOMC_EnA/WAKEUPMC_EnBJOY_DOWNMC_BusVoltageSPI1_NSSSPI1_SCKSPI1_MISOSPI1_MOSILCD_backlightUSART0_TXUSART0_RXUSB_DMUSB_DPTMS/SWDIOTCK/SWCLKTDIMC_PFCsync1MC_PFCpwmTDO/SWOTRSTTemperatureSensor_INTTemperatureSensor_SCLTemperatureSensor_SDAAudio_PWMUser_ButtonSmartCard_IOSmartCard_RSTSmartCard_CLKLCD_CLKLCD_DOLCDI_DILCD_CSRESETVDDLCD_WRMC_EnIndexMC_DissipativeBrakeJOY_SELSmartCard_3/5VMC_NTCUSB_DisconnectJOY_UPUSART1_RXUSART1_TXUSART1_RTSUSART1_CTSMC_PFCsync2CAN_TXCAN_RXMC_EmergencySTOPSmartCard_OFFMC_WLMC_VHMC_VLMC_UHMC_ULSmartCard_CMDVCCTRACE_D3TRACE_D2TRACE_D1TRACE_D0TRACE_CKJOY_LEFTJOY_RIGHTMC_WHLCD_RSAnti_TamperMicroSDCard_CSIrDA_RXIrDA_TXLED4LED3LED1MIC_INPotentiometerMC_CurrentCMC_CurrentBMC_CurrentA/BNCMC_HeatsinkTemperatureLED2PA4PA5PA6PA7PA11PA12PA9PA10PA0PA1PA15PA3PA13PA14PA2PA8PB5PB6PB7PB12PB13PB14PB15PB10PB11PB8PB9PB1PB2PB3PB0PB4PC10PC11PC12PC5PC13PC6PC7PC8PC9PC1PC2PC3PC4PC0PC14PC15PD0PD1PD