許聚武,熊遠(yuǎn)生,張 敏

(1. 嘉興學(xué)院: a.信息科學(xué)與工程學(xué)院，b.數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院；2. 嘉興南湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江嘉興314001)

浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽是培養(yǎng)和提高大學(xué)生多學(xué)科專(zhuān)業(yè)知識(shí)交叉、知行合一、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的一項(xiàng)綜合性學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)，[1-4]嘉興學(xué)院一直十分重視并鼓勵(lì)學(xué)生積極參加.從浙江省“中控杯”機(jī)器人競(jìng)賽暨浙江省高校機(jī)器人邀請(qǐng)賽開(kāi)始，學(xué)校就專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟了相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，配備了常用的儀器設(shè)備，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參賽熱情持續(xù)高漲，目前已成功完成五屆比賽并取得了較好的成績(jī).

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)通用控制板原理示意圖

浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).[5-8]目前，硬件控制板主要是通過(guò)網(wǎng)購(gòu)，因而產(chǎn)生了諸多問(wèn)題：控制板功能不全、沒(méi)有相應(yīng)的外部驅(qū)動(dòng)電路或保護(hù)電路價(jià)格較貴、體積過(guò)大、安裝困難等等.[9-10]

基于以上原因，課題組自主開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的機(jī)器人控制系統(tǒng)，不僅滿足了學(xué)生參加浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽的培訓(xùn)需要，也為教師開(kāi)展課程設(shè)計(jì)、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)、科研等提供了幫助.

1 系統(tǒng)通用控制板硬件設(shè)計(jì)

1.1 開(kāi)發(fā)板的硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)器人控制系統(tǒng)通用控制板原理如圖1所示，控制板采用單片機(jī)STM32 F407為控制芯片，連接了各類(lèi)驅(qū)動(dòng)電路，包括H橋驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)等，還增加了DC/DC電路，連接鋰電池，并給整個(gè)電路板提供了12 V、5 V和3.3 V三種類(lèi)型電源供不同的驅(qū)動(dòng)電路使用.除此之外，控制板還提供了可以外接傳感器、線性CCD、OPENMV等多種接口.

1.2 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路采用了通用的485通信和232通信，分別如圖2和圖3所示.

圖2 UART4-485電路

圖3 USART1(2)-232電路

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖4中STM32的IO口高電平輸出的電壓是3.3 V，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人需要的多個(gè)步進(jìn)電機(jī)，因此需要接入多個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊單獨(dú)供電，供電電壓由連接的步進(jìn)電機(jī)繞組電壓決定，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口電壓一般是5 V， 而STM32的IO口高電平輸出的電壓為3.3 V，因此，采用TXS0108芯片實(shí)現(xiàn)3.3 V到5 V的電平轉(zhuǎn)換.

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.4 控制板原理和PCB設(shè)計(jì)圖

圖5是機(jī)器人控制系統(tǒng)的通用控制板原理圖，其中控制板主控芯片主要采用STM32 F407，控制板供電則由輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，采用1N5822實(shí)現(xiàn)防電源反接，經(jīng)2596降壓模塊輸出5 V電壓，再經(jīng)1117-3.3芯片輸出3.3 V電壓，5 V和3.3 V給相應(yīng)的各部分供電.四個(gè)輸入的撥碼開(kāi)關(guān)用于選擇執(zhí)行某種控制模式，按鍵用于直接輸入，LED通過(guò)GPIO 控制，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示，并配置了各種接插件，方便連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)接口、串口通信等.

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)通用控制板原理圖

通過(guò)原理圖設(shè)計(jì)的PCB如圖6所示.

圖6 機(jī)器人系統(tǒng)通用控制板PCB圖

PCB打板后，將自行購(gòu)買(mǎi)的相關(guān)元器件進(jìn)行焊接并調(diào)試，得到圖7所示的機(jī)器人控制系統(tǒng)通用控制板.

圖7 機(jī)器人系統(tǒng)通用控制板實(shí)物圖

2 通用控制板軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

圖9 Maix開(kāi)發(fā)板及配套顯示屏

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證系統(tǒng)控制板的實(shí)用性，將控制板連接機(jī)器人底盤(pán)及圖像處理單元和機(jī)械臂，組建了一套裝配機(jī)器人控制系統(tǒng).[11]圖像處理控制板和顯示屏如圖9所示，該圖像處理使用了砂速科技公司開(kāi)發(fā)的Maix，這是一款搭載了K210 AI芯片的開(kāi)發(fā)平臺(tái).K210處理器是一款64位雙核帶硬件FPU內(nèi)核、主頻400 MHz、卷積加速器、FFT的AI芯片，可以兼容TensonFlow、Keras、Darknet深度學(xué)習(xí)框架.配合第三方MicroPython移植項(xiàng)目，可以使用Python在配套的IDE上輕松開(kāi)發(fā)深度學(xué)習(xí)相關(guān)程序.

本設(shè)計(jì)所使用的視覺(jué)模塊相較于OpenMV使用更為簡(jiǎn)單，不需要學(xué)習(xí)圖像識(shí)別算法，只需在搭好的深度學(xué)習(xí)框架下有足夠量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，即可使用.使用事先寫(xiě)好的程序提交模型，即可進(jìn)行圖像識(shí)別；另外，更換識(shí)別目標(biāo)時(shí)無(wú)需修改程序，只需更換模型就可以快速更換識(shí)別目標(biāo)，且其對(duì)物體的識(shí)別角度沒(méi)有很高的要求，可以很高效地識(shí)別三維物體.此外，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)，Maix系列開(kāi)發(fā)板的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算速度、視覺(jué)算法等方面優(yōu)于OpenMV，且價(jià)格僅為OpenMV開(kāi)發(fā)板的1/3，如表1所示.

表1 Maix開(kāi)發(fā)板與OpenMV比對(duì)

經(jīng)過(guò)調(diào)試的裝配機(jī)器人定位準(zhǔn)確，循跡功能正常；視覺(jué)模塊識(shí)別靈敏，算力較強(qiáng)，能夠識(shí)別多種形狀的柱體，準(zhǔn)確率高達(dá)90%；機(jī)械臂活動(dòng)平順，抓取和裝配零件時(shí)都較為靈活，能做到近似線性的垂直運(yùn)動(dòng).該機(jī)器人經(jīng)測(cè)試，整體效果比較理想，達(dá)到了初期的設(shè)定目標(biāo).

4 通用控制板性能指標(biāo)

4.1 接口豐富

板子提供十多種標(biāo)準(zhǔn)接口，可以方便地進(jìn)行各種外設(shè)的實(shí)驗(yàn)和開(kāi)發(fā).

4.2 設(shè)計(jì)靈活

板上很多資源都可以靈活配置，以滿足不同條件下的需求.

4.3 資源充足

主芯片采用自帶1 M字節(jié)的FLASH，配合機(jī)器人控制所需的各種接口，滿足各種應(yīng)用需求.

4.4 人性化設(shè)計(jì)

各個(gè)接口都用絲印標(biāo)注，并用方框框出，使用起來(lái)一目了然；部分常用接口采用大絲印標(biāo)出，方便查找.

教學(xué)儀器在高校教學(xué)中的重要作用不言而喻，而自制教學(xué)設(shè)備則是教學(xué)儀器設(shè)備在研制和改進(jìn)上的生命源，[12-16]本文自主開(kāi)發(fā)的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)于滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要、推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、提高實(shí)驗(yàn)室技術(shù)水平、節(jié)省經(jīng)費(fèi)開(kāi)支等方面均大有益處.

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)浙江省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽參賽學(xué)生的培訓(xùn)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了一種基于STM32的機(jī)器人控制系統(tǒng)，在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，組建了一套裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試，循跡、識(shí)別和抓取效果都比較理想.該機(jī)器人控制系統(tǒng)與學(xué)生競(jìng)賽、教師教學(xué)科研密切結(jié)合，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)手能力，促進(jìn)和教師科研團(tuán)隊(duì)的協(xié)作.通過(guò)儀器設(shè)備的自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐創(chuàng)新與科研之間的相互融合，極大地提升了教學(xué)效果，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革.