欒明慧，李松松，何慧敏，張琦，楊瑩，李晨

(大連海洋大學 信息工程學院,遼寧 大連 116021）

0 引言

隨著科技的日新月異，許多科技產品逐漸從工業(yè)生產走向人們生活，機器人就是其中一種。從1920年捷克斯洛伐克作家雷爾.恰佩克創(chuàng)造出“機器人”這個詞，到1959年美國發(fā)明家德沃爾和約瑟夫·英格伯格一起創(chuàng)造出第一臺機器人，再到2002年美國iRobot公司推出吸塵機器人Roomba,機器人一步步走向成熟走向智能。工業(yè)上，機器人幫助人類完成極端環(huán)境下的工作，減少工業(yè)事故引發(fā)的生命財產損失[1]；生活中，機器人為家庭和個人生活帶來便捷，提高人們生活質量。文中的機器人能夠根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令完成一系列舞蹈動作,是以STM32F103RCT6為控制核心[2]，采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號來控制數(shù)字伺服舵機的舞蹈機器人，可以應用到生活娛樂以及一些科技展覽和機器人比賽中。

1 整體方案

機器人的的設計方案主要包括：硬件電路的設計、上位機軟件與舵機控制器通信的設計、硬件驅動程序和舵機控制算法的設計等。

機器人的軟件程序設計部分主要是硬件電路的驅動程序和PC端軟件與舵機控制器的通信協(xié)議程序。通信程序主要是完成電腦端與舵機控制板之間的通信，通過PC端來對舵機控制板程序的改寫，主控控制輸出PWM波等。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

機器人的上位機采用的是最為常用的PC端串口助手，采用串口通信協(xié)議。PC端軟件通過串口通信模塊或無線藍牙模塊，在串口通信協(xié)議的規(guī)定下舵機控制器傳輸并改寫數(shù)據(jù)[3]。

2 對機器人舵機進行分析

2.1 舵機的轉動控制

機器人選用的舵機是一種小型直流伺服舵機，滿足傳統(tǒng)的PWM協(xié)議，并且對PWM信號要求較低，不用隨時接收指令，能夠減少CPU的疲勞程度；可以位置自鎖、位置跟蹤。

舵機控制器讀取輸出電壓，確定轉動角度，將該角度和目的角度作對比，如果有角度偏差就再次輸出PWM信號重新調整。整體構成一個完善的電壓閉環(huán)反饋控制器。數(shù)字舵機是由一定占空比的PWM 信號來驅動的，驅動舵機旋轉的PWM信號一般是周期為20ms左右的脈沖信號。舵機的角度是由PWM信號的高電平占空比來決定的，舵機的轉速度取決于 PWM信號的頻率，頻率越高，舵機轉速越快[4]。

2.2 舵機的追隨特性

舵機的隨動過程：舵機穩(wěn)定在A點不動，當CPU發(fā)出B點位置坐標的PWM信號時，舵機全速由A點轉向B點，圖中

舵機的隨動特性如圖2所示，CPU發(fā)出B點PWM信號后，應該等待一段時間，利用此時間舵機才能轉動至B點。

圖2 舵機的隨動特性圖

3 硬件電路的設計

3.1 機器人的主控

機器人的主控芯片是STM32F103RCT6，舵機外設的電壓輸出端連接在中央處理器STM32F103RCT6的引腳，舵機控制器通過GPIO口向舵機發(fā)送轉動位置的PWM脈沖，利用延時程序和計算PWM輸出的時間增量來控制舵機外設的轉動速度，STM32F103RCT6也通過GPIO口來接收位置信息反饋。

3.2 STM32最小系統(tǒng)

STM32最小系統(tǒng)包括濾波電路和時鐘電路，以及復位電路。外部電源先經(jīng)過濾波電容然后再給芯片供電，能夠濾掉電源的雜波和干擾，提高芯片的抗干擾能力[5]。

3.3 通信電路

USB與CH340G通信的數(shù)據(jù)傳輸線為D_L和D_H，這是一對差分信號線，通過差分信號線接入CH430G的第6和第5管腳。CH430_TXD和CH430_RXD與STM32的PA9、PA10連接，這兩個端口為STM32的UART_1的傳輸接口，通過串口UART_1與STM32實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[6]。CH430G自身進行數(shù)據(jù)傳輸時需要基準時鐘脈沖所以第7和第8引腳接入8MHZ的外部時鐘晶振。通信電路圖如圖3所示

圖3 通信電路圖

3.4 電源電路

電源部分別STM32主控、24路舵機、外接設備供電。這里采用的是一個7.4V的航模電池來供電，然后由AMS1117_3.3V和AMS1117_5.0V穩(wěn)壓芯片穩(wěn)定到3.3V和5V。

3.5 舵機接口電路

24路舵機通過排針接口JP1-JP8，經(jīng)過1K的排阻與STM32進行連接。并在舵機與GND之間加入自恢復保險管，以保證舵機堵轉是能及時停止運型，防止因電流過大燒壞舵機。

3.6 外設接口電路圖

在外設電路中，XFS5152V2語音合成模塊和藍牙串口模塊。語音合成模塊通過USART_5來接收指令和語音信息，無線藍牙模塊通過串口USART_3與PC端的通訊，通過從串口助手軟件來監(jiān)控下位機傳來的舵機數(shù)據(jù)，也可以通過藍牙對舵機值進行修改。

4 系統(tǒng)軟件的控制

舵機驅動程序的設計思路是通過主控向數(shù)字舵機發(fā)送PWM信號，來規(guī)定數(shù)字舵機的轉動目標位置[7]。具體輸出方法是在外部固定的時鐘源的基礎上再利用定時器來輸出PWM脈沖，主程序設計流程圖如圖6所示

系統(tǒng)初始化過后，使舵機維持在初始狀態(tài)位置，開始檢查動作組指令是否接收完畢。接受動作組數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行分析，分組；12個數(shù)據(jù)為一組，分別向左側舵機和右側舵機輸入數(shù)據(jù)，在輸入數(shù)據(jù)之后，通過函數(shù)計算PWM更新的增量來決定分化時間，從而控制舵機的轉動速度。

圖4 主程序流程圖

5 舵機“差補法”調速

恒定的電壓和一定的負載下，舵機的轉動速度是一定的,只有通過軟件來實現(xiàn)速度控制。這里設計的主要思想是要實現(xiàn)速度控制,知道舵機轉動前后角度,以及確定完成轉動所消耗的時間,再對時間和轉動的角度的變化量進行細化,實現(xiàn)對數(shù)字舵機的轉動速度進行控制。舵機的轉動速度主要是利用“差補法”控制，“差補法”就是分時復用的基本理念，通過細分時間來控制舵機轉速，主要思路如下：利用STM32強大地定時器中斷系統(tǒng)來實現(xiàn)時間的細化，假設在一個周期為T的時間里，定時器中斷N次，T為一個周期，N為中斷次數(shù)，t表示單位細化時間，單位細化時間的計算公式如式(1)所示。

假設舵機從初始角度轉動到目標角度花費的時間為Tem，Tem為從初始角度到目標角度經(jīng)歷的時間，n為細化的次數(shù)，則計算細化次數(shù)n的計算公式如式(2)所示。

假設舵機的初始角度為ω0，轉動的目標角度為ωn，從初始位置到終點位置的角度差為dp，則角度差dp的計算公式如式(3)所示。

假設dp0為單位細化角度，則單位細化角度為角度差和細化次數(shù)之比，如式(4)所示：

綜上所述，轉動所消耗的時間每增加一個單位時間（dt），轉動角度也會增加單位角度（dp），令差補的次數(shù)變量為m，則當m=n，舵機轉到目標角度[8]。

6 結束語

本文設計的機器人采用藍牙模塊與PC端通信，使用PS2遙控手柄進行運行控制，能夠完成24路舵機的同時驅動，并且能根據(jù)使用者的需求發(fā)出相應語音，舵機“差補法”的調速，讓舵機按照使用者的需求速度轉動，使舵機靈敏性更高。經(jīng)過多次試驗，對機器人設計的各種舞蹈動作，舵機能夠準確完成要求。此新型舞蹈機器人性能穩(wěn)定，動作精準度高，靈活性強，可以很好的應用到日常生活娛樂以及一些舞蹈機器人比賽中。