基于stm32的仿生六足機(jī)器人-控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2016屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于STM32的六足仿生機(jī)器人-控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院：專業(yè)：姓名：指導(dǎo)老師：工業(yè)自動化學(xué)院機(jī)械電子工程謝浩林學(xué)號：職稱：160404102482李琳講師中國·珠海二○二一年五月誠信承諾書本人鄭重承諾：本人承諾呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)《基于STM32的六足仿生機(jī)器人-控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。本人簽名：謝浩林日期：2020年4月24日基于STM32的六足仿生機(jī)器人-控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著機(jī)器人的發(fā)展日新月異，各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的要求和需求也日益增長。近十幾年來，由于六足仿生機(jī)器人在勘測領(lǐng)域的作用顯著，其發(fā)展尤為迅速。這種新型的足式機(jī)器人，借鑒了自然界中諸如蜘蛛，螳螂等昆蟲的行進(jìn)步態(tài)和肢體結(jié)構(gòu)，使其在崎嶇、松軟等復(fù)雜地形上行進(jìn)時(shí)，比起履帶式或者輪式的機(jī)器人更加地穩(wěn)定靈活，能更好對應(yīng)勘測，探索等方面的工作。本文主要研究六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。通過采用STM32F103VCT6作為控制器，用藍(lán)牙通訊控制與腿部結(jié)構(gòu)相連接的舵機(jī)從而實(shí)現(xiàn)手控機(jī)器人的行進(jìn)，并簡單實(shí)現(xiàn)自動行進(jìn)，超聲波避障和拍照功能。關(guān)鍵詞：六足仿生機(jī)器人；STM32F103VCT6；控制系統(tǒng)；舵機(jī)sg90；DesignofHexapodrobotcontrolsystembasedonSTM32AbstractWiththerapiddevelopmentofrobots,therequirementsanddemandsofrobotsinvariousindustriesandfieldsareincreasingdaybyday.Inrecentdecades,thehexapodrobothasdevelopedparticularlyrapidlyduetoitssignificantroleinthefieldofsurveying.Thenewfoot-likerobotborrowsfromthegaitandlimbstructureofnaturalinsectssuchasspidersandmantids,allowingittonavigaterough,softandcomplexterrain,comparedwiththetrackedorwheeledrobot,itismorestableandflexible,andcanbettercorrespondtotheexplorationandexplorationwork.Thispapermainlystudiestherealizationofthecontrolsystemoftherobot.ByusingSTM32F103VCT6asthecontroller,thesteeringgearconnectedwiththelegstructureiscontrolledbyBluetooth,andthefunctionsofautomaticmoving,ultrasonicobstacleavoidanceandphoto-takingarerealized.Keywords:Hexapodrobot;STM32F103VCT6;Controlsystem;SteeringGearSG90;目錄TOC\o"1-3"\h\u287681緒論 緒論1.1仿生六足機(jī)器人的研究背景及意義當(dāng)今世界，機(jī)器人的概念已經(jīng)不是簡單的，由數(shù)個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)組合成的一個(gè)機(jī)械體。它包含了眾多領(lǐng)域的科技結(jié)晶，不論是硬件上的技術(shù)如機(jī)械制造，電子設(shè)計(jì)，還是軟件上的技術(shù)如智能控制，數(shù)據(jù)傳輸，都與機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)步緊密聯(lián)系在一起。也因此，機(jī)器人的研究水平也在一定程度上體現(xiàn)了國家的科技水準(zhǔn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，過去的輪式、履帶式機(jī)器人已經(jīng)無法滿足人們的要求，這類機(jī)器人在環(huán)境條件不利的情況下，如路面崎嶇不平，過于松軟和潮濕，都會讓機(jī)器人的穩(wěn)定性和靈活度大打折扣。而在自然界中，陸地上大多數(shù)生物的行進(jìn)都是以足類運(yùn)動為主，因此，人們借鑒了這一點(diǎn)，開始了仿生足類機(jī)器人的研究和制造。仿生足類機(jī)器人又常見為二足，四足，六足。而其中，六足機(jī)器人的自由度和靈活度都遠(yuǎn)優(yōu)于二足和四足，更不用說輪式和履帶式的機(jī)器人了。六足機(jī)器人可以通過特殊步態(tài)來實(shí)現(xiàn)原地的旋轉(zhuǎn)，以及重心的穩(wěn)定。在不平整的路面上，也可以依靠腿部上舵機(jī)角度的協(xié)調(diào)改變來保持平衡。在跨越障礙，上下坡等情況下都擁有良好的表現(xiàn)。同時(shí)能勝任多個(gè)領(lǐng)域的工作，應(yīng)用前景廣闊如軍事偵察、資源開采、海底探索、消防營救等，應(yīng)用前景廣闊。但由于六足機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)較多，相對離散，在高靈活度、高機(jī)動性的同時(shí)，也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和控制的繁瑣。但不管怎么說，六足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)十分顯著，在未知的復(fù)雜地形上，具有極其優(yōu)越的適應(yīng)性，因此也成為了現(xiàn)今機(jī)器人研究的一大熱門領(lǐng)域。1.2仿生六足機(jī)器人在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在的問題在足類行進(jìn)機(jī)器人發(fā)展的早期，科學(xué)家們更多的是研究與人類貼近的二足機(jī)器人，以及外形類似哺乳類陸生生物，如常見的貓狗一般的四足機(jī)器人，以運(yùn)動能力優(yōu)秀的動物為模板去研究和設(shè)計(jì)。但是結(jié)果并不太順利，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科技水平還無法模擬出肌肉的控制系統(tǒng)，而二足和四足的生物，運(yùn)動時(shí)都需要比較大的力量作為基礎(chǔ)，以當(dāng)時(shí)的馬達(dá)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，想驅(qū)動就很困難了，更別提還要對這股力量進(jìn)行控制。后來科學(xué)家們才將目光投向了六足機(jī)器人，當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)，雖然采用六足結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，行進(jìn)速度并不快，但是通過三角步態(tài)，重心能很好地落在三只支撐足組成的三角形中，并且靈活度比起普通的四足機(jī)器人也十分優(yōu)越。而現(xiàn)今，仿生昆蟲的六足機(jī)器人得到了更多的關(guān)注和研究，其靈活度和穩(wěn)定性也得到了更好的體現(xiàn)。近年來國內(nèi)對于六足機(jī)器人的研究依舊火熱，而最出名的還要數(shù)

Vincross人工智能科技公司研發(fā)的HEXA機(jī)器人。這款機(jī)器人在2017年亞洲消費(fèi)電子展里首次亮相，榮獲了當(dāng)年由德國漢諾威工業(yè)設(shè)計(jì)論壇頒布的，含金量十足的if設(shè)計(jì)大獎。HEXA的外觀酷似蜘蛛，頭部可360°任意旋轉(zhuǎn)，能攀爬15cm高的障礙并以1.2Km/h的速度奔跑。同時(shí)，六足機(jī)器人對復(fù)雜地形的適應(yīng)力也發(fā)揮到了極致，不僅能在各種復(fù)雜地形中行走，甚至還能爬梯、下坑、鉆洞。輔以夜視攝像頭，激光傳感器，三軸加速度計(jì)等模塊，使得HEXA能勝任各種工作和環(huán)境。圖1-1HEXA機(jī)器人而在國外，六足機(jī)器人的研究就更加深入了，畢竟研究內(nèi)容也比較豐富。德國自動化技術(shù)廠商Festo發(fā)布的BionicWheelBot仿生機(jī)器人是一款別有匠心的六足仿生機(jī)器人，靈感來自于摩洛哥一種會翻滾的蜘蛛。它能夠模仿這種蜘蛛，以翻滾模式在復(fù)雜地形上移動，速度是普通三角步態(tài)行進(jìn)方式的兩倍。雖然只是說改變了移動方式，但其中所要用到的技術(shù)卻不能小覷。翻滾時(shí)的平衡，以及如何開始如何結(jié)束如何切換兩種形態(tài)，腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是值得我們研究的技術(shù)點(diǎn)。圖1-2HEXA機(jī)器人翻滾動作圖1-3HEXA機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)又如英國工程師MattDenton發(fā)明的一個(gè)名為Mantis的機(jī)器人，高2.8米，重2噸，臂展能達(dá)到近2米。主要用途是作為載具，輔以其他模塊后，能在林區(qū)礦區(qū)進(jìn)行勘測，并且采礦的同時(shí)無需進(jìn)行大量的植被清理。圖1-4Mantis機(jī)器人目前來看，國內(nèi)外對于六足仿生機(jī)器人的研究還存在一些差距，但都還沒有特別大的突破，多數(shù)的六足機(jī)器人仍是以概念和樣機(jī)出現(xiàn)，用于工業(yè)領(lǐng)域的寥寥無幾，即使有少數(shù)聲稱能進(jìn)行勘測的特種機(jī)器人，也不具備足夠高的可靠性。1.3六足仿生機(jī)器人應(yīng)解決的主要問題對于六足仿生機(jī)器人而言，最主要的問題是如何讓機(jī)器人能夠保持重心穩(wěn)定地進(jìn)行移動。一是步態(tài)的研究，以怎樣的方式行進(jìn)，才能充分發(fā)揮多足機(jī)器人用點(diǎn)接觸來行進(jìn)的優(yōu)勢。二是舵機(jī)之間的協(xié)調(diào)控制，由于18個(gè)關(guān)節(jié)上的舵機(jī)都是獨(dú)立控制，雖然換來了較大的自由度，但控制也因此變得繁瑣，如何將舵機(jī)與舵機(jī)之間統(tǒng)籌結(jié)合起來控制，是系統(tǒng)效率提高的關(guān)鍵。三是腿部機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。腿部的結(jié)構(gòu)與機(jī)體的穩(wěn)定性密切相關(guān)，采用何種機(jī)械結(jié)構(gòu)才能讓腿部滿足理想的運(yùn)動軌跡，是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。

2主要原理2.1仿生六足機(jī)器人行進(jìn)原理本論文仿生六足機(jī)器人的行進(jìn)方式主要參考了六足昆蟲的三角步態(tài)，行進(jìn)時(shí)通常將六只腳分為兩組，每組三足呈三角形交替行走以保證重心的穩(wěn)定。這種步態(tài)依靠腿部的前后擺動將身軀前移，雖然為了讓重心保持在三角形內(nèi)，導(dǎo)致腿部跨度小，行進(jìn)速度也稱不上快，但是其穩(wěn)定性卻無可置疑。在下列分析中假定左前、右中、左后為A組足，右前、左中、右后為B組足。前進(jìn)的流程，可分解為兩個(gè)過程，以及三個(gè)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。假設(shè)A組足先動，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，左三和右三足呈對稱形態(tài)。狀態(tài)b為A組足角度較初始狀態(tài)不變并抬起，B組足組成的重心較初始狀態(tài)滯后。狀態(tài)c為B組足角度較初始狀態(tài)不變并抬起，A組足組成的重心較初始狀態(tài)滯后。過程x為B組足落地，A組足抬起并恢復(fù)初始位置，隨后B組足以足尖為支點(diǎn)帶動身軀前移。過程y為A組足落地，B組足抬起并恢復(fù)初始位置，隨后A組以足尖為支點(diǎn)帶動身軀前移?？刂屏鞒虉D圖如圖1，狀態(tài)圖如圖2。圖2-1前進(jìn)控制流程圖圖2-2前進(jìn)步態(tài)圖而定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的實(shí)現(xiàn)，其實(shí)也是一樣的原理，甚至更加簡單。通過控制落地足相對機(jī)身的角度，從而實(shí)現(xiàn)方向的改變。定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎的流程可分解為三個(gè)狀態(tài)。從左轉(zhuǎn)彎來看，狀態(tài)a為初始狀態(tài)，狀態(tài)b時(shí)，B組足抬起，A組足角度改變，狀態(tài)c則為B組足落地，A組足恢復(fù)原始角度。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，B組足抬起，同時(shí)A組足控制方向改變，隨后B組足落地，A組足抬起恢復(fù)角度后落地，狀態(tài)從a-b-c-a(d)進(jìn)行循環(huán)。由于轉(zhuǎn)彎的過程實(shí)際就是抬腳與落地，因此過程不進(jìn)行具體講述?？刂屏鞒虉D如圖3，狀態(tài)圖如圖4。圖2-3定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎流程圖圖2-4定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)圖2.2STM32F103系列單片機(jī)定時(shí)器輸出PWM原理定時(shí)器輸出PWM波首先要對CCMR1:OC1M[2:0]進(jìn)行設(shè)置，PWM模式1為[110]，PWM模式2為[111]，并設(shè)置TIMx_CR1中的DIR寄存器，DIR=0為向上計(jì)數(shù)，DIR=1為向下計(jì)數(shù)。定時(shí)器輸出PWM的過程主要是由CNT、ARR、CCRx三個(gè)寄存器控制。CNT寄存器的功能為計(jì)數(shù)，儲存當(dāng)前值。ARR寄存器的功能是自動重裝載，計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值后會歸零重新加載。CCRx寄存器的功能是捕獲或比較，這里是為了改變占空比，用到的是比較功能。接下來說明一下，向上和向下計(jì)數(shù)，PWM模式1和模式2的區(qū)別。當(dāng)處于向上計(jì)數(shù)時(shí)，占空比的比較條件為CNT的值小于CCRx的值，而向下計(jì)數(shù)時(shí)，則與之相反，條件CNT的值大于CCRx的值。在PWM模式1下，條件為真，則輸出有效電平，假輸出無效電平，相反，在PWM模式2下，條件為真時(shí)，輸出無效電平，反之輸出有效電平。因此，我們可以通過設(shè)定ARR的值，當(dāng)CNT計(jì)數(shù)值達(dá)到ARR的設(shè)定值時(shí)，ARR就會歸零，并自動重新裝載，達(dá)到控制PWM輸出頻率的改變。而占空比的控制則通過改變CCRx寄存器的值。當(dāng)不同的值與CNT的值進(jìn)行比較，同一周期內(nèi)輸出的有效電平和無效電平的比例也隨之改變，意味著占空比也隨之改變。2.3圖像傳感器數(shù)據(jù)輸出、讀取原理圖像傳感器的數(shù)據(jù)輸出是在三個(gè)輸入信號的控制下進(jìn)行的，這里采用了QVGA模式輸出像素。如下圖：圖2-5圖像輸出行時(shí)序圖圖2-6圖像輸出幀時(shí)序圖第一個(gè)信號是像素時(shí)鐘PCLK，在PCLK信號的一個(gè)周期里，輸出半個(gè)或者一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)。第二個(gè)信號是幀同步信號VSYNC，當(dāng)檢測到該信號的上升沿時(shí)，代表著要開始輸出一幀的數(shù)據(jù)，檢測到第二個(gè)上升沿則代表結(jié)束這一幀的輸出，同時(shí)開始下一幀的輸出。最后一個(gè)信號是行同步信號HREF或HSYNC，當(dāng)HREF處于高電平時(shí)，代表著此時(shí)的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，PCLK每過一個(gè)周期，輸出一個(gè)有效的字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)HREF回到低電平時(shí)，代表結(jié)束這一行像素的輸出。對于HSYNC信號而言，當(dāng)檢測到下降沿時(shí)，代表此時(shí)輸出的數(shù)據(jù)有效，再次檢測到下降沿，代表一行像素輸出完畢。此次設(shè)計(jì)采用了QVGA模式，最終輸出結(jié)果為RGB565格式，一個(gè)像素顏色的數(shù)據(jù)需要兩個(gè)字節(jié)來儲存，同時(shí)代表著R(紅色通道)的值為高字節(jié)的前5位，G(綠色通道)的值為高字節(jié)的后3位加上低字節(jié)的后三位，B(藍(lán)色通道)的值為低字節(jié)的后5位。因此要輸出一張320×240的圖片，一行則要輸出640個(gè)字節(jié)，共輸出640個(gè)PCLK周期。PCLK的速率可達(dá)到24Mhz，因此要注意MCU速率是否低于PCLK，如沒有降低PCLK的速率，MCU速率又沒有PCLK快，則會造成數(shù)據(jù)丟失，無法得到正確圖像。

3硬件選型3.1六足機(jī)器人控制系統(tǒng)芯片選型在市面上，可作為控制器的產(chǎn)品主要分為單片機(jī)、嵌入式兩大類，而實(shí)際上其實(shí)這兩者的界限也挺模糊，有些高性能單片機(jī)并不是不能搭載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只是效率不高，沒有必要罷了，而嵌入式大部分也是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的，也可以說是微型計(jì)算機(jī)的裁剪版。因此，在此只是大概劃分了這兩類產(chǎn)品，并介紹其細(xì)分種類下不同系列的產(chǎn)品的優(yōu)劣勢。對于機(jī)器人控制和學(xué)生市場而言，單片機(jī)主要考慮用51單片機(jī)，stm32系列單片機(jī)和arduino板。51單片機(jī)是由\t"/item/51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA/_blank"ATMEL公司推出的一種8位單片機(jī)，它的功能相對比較基礎(chǔ)，基于匯編語言跑程序的同時(shí)，芯片處理速度慢，導(dǎo)致其運(yùn)行速度也慢，只能進(jìn)行一些簡單的控制，優(yōu)點(diǎn)是使用簡單，只要將寄存器配置好，載入程序就行，并且比起其他8位單片機(jī)，具有乘除法運(yùn)算，無需調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)乘除算法。Stm32系列單片機(jī)是ST廠商推出的一款以arm為內(nèi)核的32位單片機(jī)，特點(diǎn)是高性能、低成本、低功耗。其最高72Mhz的工作頻率，大大提升了單片機(jī)的運(yùn)行速度，并提供了豐富的外圍接口。Stm32系列單片機(jī)較51較為復(fù)雜，主要在于大量寄存器的配置和使用，也因此可以關(guān)掉不需要使用的功能，降低功耗。而arduino板實(shí)際上是一種基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的開發(fā)板，它更多的是提供軟件上的支持，而不是硬件上的支持。官方提供了豐富的庫函數(shù)資源，開發(fā)者不需要去了解內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)和寄存器的設(shè)置，只需要知道端口的作用，就能夠避開底層驅(qū)動和硬件進(jìn)行開發(fā)。同時(shí)在官方的開源社區(qū)，也提供了大量、具有不同功能的函數(shù)庫封裝，方便業(yè)余愛好者使用。圖3-151單片機(jī)圖3-2STM32系列單片機(jī)圖3-3arduino板嵌入式通常是指一種搭載了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)板，它在軟硬件的方方面面上都是根據(jù)用戶需求、功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等多種因素而進(jìn)行增減的，從而更好地貼合環(huán)境實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)最高效率。對于學(xué)生而言，很難說真正去為了某個(gè)功能而去設(shè)計(jì)專用的嵌入式系統(tǒng)和開發(fā)板，而樹莓派作為一款微型計(jì)算機(jī)，搭載了linux系統(tǒng)，通過外圍接口的使用，也可以將其當(dāng)做嵌入式開發(fā)板來使用。所以單純就開發(fā)和使用而言，很多想學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)的人往往選擇了樹莓派作為嵌入式開發(fā)板來使用。樹莓派基于arm11而設(shè)計(jì)，工作頻率高達(dá)700Mhz，通常在需要某種算法，需要強(qiáng)大的計(jì)算能力時(shí)才會選擇，比如人臉識別，AI算法等功能，這時(shí)采用一般的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)起來就會很復(fù)雜很慢。圖3-4樹莓派本次設(shè)計(jì)主要是研究六足機(jī)器人的控制原理，需要一定的運(yùn)算能力和響應(yīng)速度，但暫未考慮人臉識別等高級算法的功能，因此經(jīng)過經(jīng)濟(jì)和需求考慮，決定采用以ARMCortex-M為核心的STM32系列單片機(jī)。又根據(jù)定時(shí)器的使用個(gè)數(shù)，I/O口功能及數(shù)量，選定了STM32系列中的STM32F103VCT6。STM32F03VCT6以ARM32位的Cortex?-M3為內(nèi)核，工作頻率可高達(dá)72MHz，擁有256K字節(jié)的閃存程序存儲器、48K字節(jié)的SRAM、80個(gè)I/O口、3個(gè)USART口、2個(gè)UART口、3個(gè)SPI口、2個(gè)I2C口和11個(gè)定時(shí)器，其中有四個(gè)16位定時(shí)器以及兩個(gè)高級定時(shí)器均可輸出多路PWM。3.2舵機(jī)驅(qū)動電池選型可用于驅(qū)動電機(jī)舵機(jī)的電池類型非常多，如市面上常見的一次性電池，通常為堿性或者碳性的干電池。碳性電池電量要遠(yuǎn)少于堿性電池，并且由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，長期使用后會有漏液情況發(fā)生，同時(shí)因?yàn)楹墟k元素，會對環(huán)境造成污染，需要進(jìn)行回收，雖然碳性電池功能不強(qiáng)，還有一些缺陷，但是其勝在價(jià)格低廉，一般都使用在耗電量不強(qiáng)的設(shè)備上。而堿性電池電容量大，持續(xù)輸出穩(wěn)定，并且不會漏液和污染環(huán)境，已基本取代了碳性電池的地位，不論是高端的電子產(chǎn)品，還是普通的小家電，堿性電池都能很好的適用。尤其適合適用在耗電量大，持續(xù)時(shí)間久的情況下。堿性電池還有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)電量耗盡后靜置，電量又會恢復(fù)一部分，斷續(xù)適用能讓堿性電池能加耐用。圖3-5堿性電池圖3-6碳性電池又如蓄電池，比較常見的是酸性的鉛酸蓄電池和堿性的鎳鎘蓄電池。這類電池主要以呈酸/堿性水溶液作為\t"/item/%E9%85%B8%E6%80%A7%E8%93%84%E7%94%B5%E6%B1%A0/_blank"電解質(zhì)，因此原料簡單資源多，價(jià)格也比較低廉。同時(shí)放電穩(wěn)定，工作電壓高，溫度限制較低，可多次充電反復(fù)使用等優(yōu)勢也讓蓄電池得以發(fā)展，現(xiàn)今已廣泛使用在工業(yè)領(lǐng)域，通常用來驅(qū)動需要較大的電流電壓的設(shè)備。其缺點(diǎn)也十分明顯，雖然原料便宜，但是需要占用的體積重量也很大，電池的能量密度往往也不高，并且還有著自放電的問題，即使沒有使用，放置一陣子后電量也會耗盡。圖3-7鉛酸蓄電池圖3-8鎳鎘蓄電池在能進(jìn)行充電的電池類型中，還有很多類電池廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品領(lǐng)域，最出名的莫不是鋰電池。它的能量密度非常高，能達(dá)到每千克460至600瓦時(shí)，是鉛酸電池6至7倍，也變向地突出了該電池重量輕體積小的特點(diǎn)。其使用壽命很長，能進(jìn)行10000次的充放電，且自放電率極低，幾乎可以忽略不計(jì)。對于環(huán)境也十分友好，一是生產(chǎn)過程不消耗水資源。二是本身及相關(guān)生產(chǎn)過程都不存在有害有毒的重金屬元素和物質(zhì)，不會對環(huán)境造成污染。并且對于溫度的限制也不高，一般的鋰電池都可在-20℃到60℃的環(huán)境下使用，甚至可以經(jīng)過特殊處理以適應(yīng)更低或更高的溫度。鋰電池最主要的缺點(diǎn)就是生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜。由于鋰電池不允許過充過放電，并且安全性一般，容易發(fā)生爆炸，自然就需要在生產(chǎn)上使用保護(hù)電路、特殊材料和元件來解決安全和損壞問題。圖3-9鋰電池圖3-10手機(jī)鋰電池由于該電池需要裝載在六足機(jī)器人身上，用于驅(qū)動18個(gè)使用電壓3.6v至6v、使用電流500mA至600mA的舵機(jī)，因此蓄電池，堿性電池和鋰電池理論上都是可以使用的，但是鑒于鋰電池通常只有以3.7V為倍數(shù)的電壓值，離舵機(jī)最低工作電壓太近，有可能無法較好地驅(qū)動，而鎳鎘電池充電性能一般，有記憶效應(yīng)，電量也沒有堿性電池高，最后還是采用了堿性電池作為舵機(jī)的驅(qū)動電源。3.3攝像頭選型本次研究中，對攝像頭的功能并無過多要求。選型的主要因素為攝像頭模塊的工作速度、抗干擾能力、價(jià)格和學(xué)習(xí)資源。最后匹配STM32F103系列的控制器后，選用以PB-0300系列的CMOS圖像傳感器制作的OV7725模塊。該模塊的需要的占用空間很小，工作電壓只需要2.5v到3v，提供多種格式的圖像數(shù)據(jù)如常見的RGB、YUV、YCbCr等，并且從VGA到CIF以下的尺寸都能輸出。同時(shí)該攝像頭最多能輸出有效像素76800個(gè)，對應(yīng)的是640×480大小的圖像。數(shù)據(jù)的傳輸則是通過SCCB總線控制，能輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。最后，該攝像頭還應(yīng)用了獨(dú)特的圖像傳感器技術(shù)，能通過減少光線和硬件本身的缺陷對圖像造成的干擾，從而得到更加清晰完整的圖像。圖3-11CMOS圖像傳感器圖3-12OV7725攝像頭模塊

4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于六足機(jī)器人而言，主要應(yīng)用于探索勘測領(lǐng)域。為了能夠被控制和檢測，并擁有一部分自動探查的能力，采用手機(jī)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)通訊，并搭載攝像頭以獲得環(huán)境數(shù)據(jù)。4.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖4-1硬件系統(tǒng)4.2控制器STM32F103VCT6電路原理圖圖4-2單片機(jī)系統(tǒng)原理圖4.3控制系統(tǒng)程序框圖圖4-3控制系統(tǒng)程序框圖4.4六足機(jī)器人主要功能的實(shí)現(xiàn)4.4.1藍(lán)牙串口通訊藍(lán)牙模塊初次使用時(shí)，最好先通過usb轉(zhuǎn)ttl模塊，將藍(lán)牙模塊hc-05與電腦相連接,用串口調(diào)試軟件XCOM查詢或配置好hc-05的波特率，配對密碼，姓名等。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，通常使用檢測接收數(shù)據(jù)的標(biāo)志位USART_IT_RXNE或USART_FLAG_RXNE。前者是接收中斷發(fā)生標(biāo)志位，后者是接收狀態(tài)標(biāo)志位，當(dāng)中斷未開啟時(shí)，USART_IT_RXNE不工作，當(dāng)中斷開啟后，兩者實(shí)際用途無差異。在接收完數(shù)據(jù)后，要使用USART_ClearITPendingBit或USART_ClearFLAGPendingBit函數(shù)對標(biāo)志位進(jìn)行清零。如下列代碼所示：發(fā)送完數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位會硬件自動清零，因此只需要在發(fā)送數(shù)據(jù)后等待標(biāo)志位自動清零。發(fā)送數(shù)據(jù)相關(guān)的標(biāo)志位有四個(gè):USART_FLAG中的TXE和TC，USART_IT中的TXE和TC。FLAG和IT的區(qū)別和接收標(biāo)志位一樣，不再闡述。而想知道TXE和TC的區(qū)別就得先知道usart傳輸?shù)南嚓P(guān)原理。在usart的發(fā)送端，是由兩個(gè)寄存器組成的，一個(gè)為USART_DR寄存器,另一個(gè)為移位寄存器。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，USART_DR寄存器會先將數(shù)據(jù)存放著，然后轉(zhuǎn)移給移位寄存器，再由其發(fā)送給接收端。當(dāng)USART_DR寄存器中無數(shù)據(jù)時(shí)，TXE就會置1。當(dāng)移位寄存器發(fā)送完最后一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，TC就會置1。兩者在功能上最大的區(qū)別是：使用TXE來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送情況的話，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能保證USART_DR寄存器里總是有數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地發(fā)送；使用TC來判斷的話，就能準(zhǔn)確得知發(fā)送完成的時(shí)間點(diǎn)，在效率上和數(shù)據(jù)的連續(xù)性上，不如采用TXE方便。因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)不寫在中斷函數(shù)里，于是使用了USART_FLAG_TXE,代碼如下列所示：下圖為手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)后，stm32單片機(jī)接收并發(fā)送回所接收到的數(shù)據(jù)。圖4-4藍(lán)牙通訊4.4.2超聲波測距向超聲波模塊的TRIG腳發(fā)送一段10us的高電平，模塊就會發(fā)出超聲波，等待接收到回波，ECHO引腳就會置1，并持續(xù)從發(fā)出超聲波到接收所用的時(shí)間。根據(jù)此功能，只要用定時(shí)器來計(jì)算ECHO高電平持續(xù)的時(shí)間，就可以算出距離障礙物的距離。本次研究中，將周期值設(shè)為1000，預(yù)分頻數(shù)設(shè)置為72，定時(shí)器時(shí)鐘頻率也默認(rèn)等同于工作頻率72Mhz(可改變)，計(jì)算后得出每次計(jì)數(shù)為1us。音速在通常環(huán)境下為340m/s,轉(zhuǎn)換單位后位0.0343cm/us,也可以看作29.15us/cm。除去一半路程，實(shí)際障礙物與機(jī)器人的距離和時(shí)間關(guān)系可看作，每微秒58.3厘米。為了運(yùn)算方便，將58.3us/cm約等于58us/cm。具體代碼如下列所示：在功能加入了發(fā)送數(shù)據(jù)的代碼，通過手機(jī)可看到數(shù)據(jù)是否正確，最終實(shí)現(xiàn)如下圖。圖4-5接收長度數(shù)據(jù)圖4-6超聲波模塊實(shí)物圖4.4.3行走功能六足機(jī)器人的行走，實(shí)際上就是舵機(jī)角度的改變，而舵機(jī)角度的改變實(shí)際就是控制信號PWM波占空比的改變。顯示在程序里，就是對定時(shí)器進(jìn)行配置，然后根據(jù)步態(tài)不斷地改變定時(shí)器輸出的PWM波的占空比。下列是前進(jìn)狀態(tài)下其中一個(gè)動作的代碼：加入循環(huán)代碼后，調(diào)整占空比，實(shí)現(xiàn)如流水燈的效果，等效于PWM波占空比的改變。圖4-7PWM占空比控制4.4.4拍照功能部分代碼由于使用了帶FIFO的攝像頭模塊，圖像傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都被緩存在了FIFO模塊中。因此讀數(shù)據(jù)時(shí)不需要對時(shí)序進(jìn)行過多的控制，只要讀取FIFO中的前76800個(gè)像素（QVGA格式）就是所需要的圖片。而對于rgb565格式的像素?cái)?shù)據(jù)，需要用16位的空間來存儲。每個(gè)PCLK周期只讀半個(gè)像素，因此需要分別讀低8位和高8位的像素?cái)?shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)的基本代碼如下列所示:由于沒有上位機(jī)來，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)成圖片，暫時(shí)使用LCD來讀取像素?cái)?shù)據(jù)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，模擬效果如下圖。圖4-8lcd讀取照片數(shù)據(jù)

5總結(jié)與展望本次研究，主要實(shí)現(xiàn)了：1.六足機(jī)器人以三角步態(tài)的方式行走：用stm32的定時(shí)器輸出占空比可變的PWM波，以驅(qū)動舵機(jī)角度的改變。2.攝像頭數(shù)據(jù)的讀取。3.利用超聲波模塊進(jìn)行測距避障。4.使用藍(lán)牙對六足機(jī)器人進(jìn)行控制和雙向通訊。主要問題有：1.超聲波測距功能在對比較靠近的細(xì)長物體的測距時(shí)效果很差。2.藍(lán)牙模塊能穩(wěn)定通訊的距離太短了。3.程序效率一般，還有待優(yōu)化。在這次設(shè)計(jì)中，使用了STM32系列的芯片來實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的控制。由于第一次使用stm32單片機(jī)，繁多的寄存器確實(shí)給我?guī)砹瞬簧俾闊?。在調(diào)試各種功能的過程中，往往會遇到某個(gè)寄存器沒有使能或者配置錯誤而導(dǎo)致的失敗。最好的解決方法就是仔細(xì)查看數(shù)據(jù)手冊里的相關(guān)內(nèi)容和官方所提供的相關(guān)庫函數(shù)的定義，了解更底層的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我已能較好的掌握stm32芯片的學(xué)習(xí)方法和使用，深入了解了其封裝和最小系統(tǒng)。同時(shí)學(xué)習(xí)了各種接口串口以及模塊的原理和使用，也明顯感覺到自己C語言編程的能力還不夠熟練。本次的六足機(jī)器人設(shè)計(jì)，只簡單實(shí)現(xiàn)了其控制，以及結(jié)構(gòu)上和步態(tài)上的仿生，各種功能上也仍有很大局限性。此設(shè)計(jì)后，會將超聲波替換成多個(gè)紅外線傳感器，已達(dá)到更精確的測距和更智能的避障。藍(lán)牙通信也應(yīng)用無線通信替代，來實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的控制距離。并且應(yīng)該搭載一個(gè)陀螺儀模塊，自適應(yīng)調(diào)整姿態(tài)，讓機(jī)器人看起來更加仿生。希望未來有一天能做出活靈活現(xiàn)的，能真正稱得上仿生的六足機(jī)器人。

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delay_init();//延時(shí)初始化delay_ms(1000); //等待上電穩(wěn)定 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//中斷分組方式，搶占4，響應(yīng)4hc05_init();//藍(lán)牙初始化Hcsr04Init();//超聲波初始化 TIM_PWM_Init(1999,719);//設(shè)置周期值2000，預(yù)分頻系數(shù)720while(1){ if(usart_flag==1)//接收到數(shù)據(jù){ USART_SendData(USART3,rev_data);//向usart3通道發(fā)送數(shù)據(jù) usart_flag=0;//接收標(biāo)志清零while(USART_GetFlagStatus(USART3,USART_FLAG_TXE)==RESET); //等待數(shù)據(jù)發(fā)送中斷自動清零 } if(rev_data=='1')//自動模式 { sr04_front=Hcsr04GetLength1();//獲取前方障礙物距離 sr04_left=Hcsr04GetLength2();//獲取左方障礙物距離 sr04_right=Hcsr04GetLength3();//獲取右方障礙物距離 if(sr04_front<=3)//前方有無障礙物 if(sr04_left<=3)//左方有無障礙物 if(sr04_right<=3)//右方有無障礙物 walk_back();//向后走 else walk_right();//向右走 else walk_left();//向左走 elsewalk_front();//向前走 } switch(rev_data){case'2':walk_stop();break;//停止case'3':walk_front();break;//前進(jìn)case'4':walk_left();break;//左轉(zhuǎn)case'5':walk_right();break;//右轉(zhuǎn)case'6':walk_back();break;//后退case'7':photo();break; //拍照后停止default:break; }}超聲波程序floatHcsr04GetLength1(void){u32t=0;floatlengthTemp=0;TRIG1_Send=1;//發(fā)送10us的高電平delay_us(10);TRIG1_Send=0; while(ECHO1_Reci==0);//等待接收回波,若完全接收不到，硬件會置1并取長度為56cm，以防卡死。 OpenTimerForHc();//開啟定時(shí)器并計(jì)數(shù) while(ECHO1_Reci==1); CloseTimerForHc(); t=msHcCount*1000;//周期值*周期數(shù) t+=TIM_GetCounter(TIM6);//加上當(dāng)前計(jì)數(shù)值 lengthTemp=((float)t/58); //計(jì)算距離，以厘米為單位；也可用(float)t*17/1000，但計(jì)算量大。 TIM6->CNT=0;//定時(shí)器當(dāng)前計(jì)數(shù)值清零 returnlengthTemp;//返回距離值}藍(lán)牙中斷接收程序voidUSART3_IRQHandler(void){if(USART_GetITStatus(USART3,USART_IT_RXNE)!=RESET){rev_data=USART_ReceiveData(USART3);//接收數(shù)據(jù)usart_flag=1;//接收標(biāo)志USART_ClearITPendingBit(USART3,USART_IT_RXNE); //接收中斷標(biāo)志位清零}}前進(jìn)程序voidwalk_front(void){//抬腳TIM_SetCompare4(TIM1,b);TIM_SetCompare3(TIM2,f); TIM_SetCompare1(TIM3,b);TIM_SetCompare2(TIM3,f); TIM_SetCompare2(TIM5,b);TIM_SetCompare3(TIM5,f); delay_ms(20); //落地腳前移，抬起腳恢復(fù)TIM_SetCompare4(TIM2,d); TIM_SetCompare3(TIM3,d);TIM_SetCompare4(TIM5,d); TIM_SetCompare3(TIM1,e); TIM_SetCompare2(TIM4,e);TIM_SetCompare1(TIM5,e); delay_ms(20); //放腳 TIM_SetCompare4(TIM1,c);TIM_SetCompare3(TIM2,e); TIM_SetCompare1(TIM3,c);TIM_SetCompare2(TIM3,e); TIM_SetCompare2(TIM5,c);TIM_SetCompare3(TIM5,e); delay_ms(20); //抬腳TIM_SetCompare1(TIM1,b);TIM_SetCompare2(TIM1,f); TIM_SetCompare4(TIM3,b);TIM_SetCompare1(TIM4,f); TIM_SetCompare3(TIM4,b);TIM_SetCompare4(TIM4,f); delay_ms(20); //落地腳前移，抬起腳恢復(fù)TIM_SetCompare3(TIM1,d); TIM_SetCompare2(TIM4,d);TIM_SetCompare1(TIM5,d); TIM_SetCompare4(TIM2,e); TIM_SetCompare3(TIM3,e);TIM_SetCompare4(TIM5,e); delay_ms(20); //放腳TIM_SetCompare1(TIM1,c);TIM_SetCompare2(TIM1,e); TIM_SetCompare4(TIM3,c);TIM_SetCompare1(TIM4,e); TIM_SetCompare3(TIM4,c);TIM_SetCompare4(TIM4,e); delay_ms(20); }拍照程序voidphoto(void){ u8lightmode=0,effect=0;s8saturation=0,brightness=0,contrast=0;//LCD_Init(); //初始化LCD,用于調(diào)試拍照功能usart1_init(115200);//usart1初始化while(OV7725_Init());//攝像頭初始化 OV7725_Window_Set(OV7725_WINDOW_WIDTH,OV7725_WINDOW_HEIGHT,0);//QVGA模式輸出OV7725_Light_Mode(lightmode);OV7725_Color_Saturation(saturation);OV7725_Brightness(brightness);OV7725_Contrast(contrast);OV7725_Special_Effects(effect);OV7725_CS=0;//使能攝像頭EXTI8_Init(); //檢測VSNCY信號上升沿的中斷初始化//LCD_Clear(BLACK);//清屏 OV7725_camera_shot();//讀取一幀像素 while（rev_data==’7’）；}讀取一幀像素程序voidOV7725_camera_shot(void){u32i,j;u16color; while(ov_sta){ /*LCD_Scan_Dir(U2D_L2R);//從上到下,從左到右掃描 LCD_Set_Window((lcddev.width-OV7725_WINDOW_WIDTH)/2,(lcddev.height-OV7725_WINDOW_HEIGHT)/2,OV7725_WINDOW_WIDTH,OV7725_WINDOW_HEIGHT);//將顯示區(qū)域設(shè)置到屏幕中央 LCD_WriteRAM_Prepare();//開始寫入GRAM */ OV7725_RRST=0; //開始復(fù)位讀指針 OV7725_RCK_L; OV7725_RCK_H; OV7725_RCK_L; OV7725_RRST=1; //復(fù)位讀指針結(jié)束 OV7725_RCK_H; for(i=0;i<OV7725_WINDOW_HEIGHT;i++) { for(j=0;j<OV7725_WINDOW_WIDTH;j++) { OV7725_RCK_L; color=GPIOC->IDR&0XFF; //讀并儲存低8位數(shù)據(jù) OV7725_RCK_H; color<<=8; OV7725_RCK_L; color|=GPIOC->IDR&0XFF; //讀并儲存高8位數(shù)據(jù) OV7725_RCK_H; //LCD->LCD_RAM=color;//用lcd顯示代替圖像儲存USART_SendData(USART3,color);//向usart3通道發(fā)送數(shù)據(jù)while(USART_GetFlagStatus(USART3,USART_F