农垦机械智能化控制系统设计

　　本课题设计了一种基于STM32的智能格斗机器人控制系统。系统以单片机STM32F103C8T6为控制核心，单片机连接传感器，对外界环境进行信息采集，通过编写相应的控制算法程序，实现对障碍物的智能判断，根据判断的不同结果做出相应不同动作，有自我防御、自主避障以及搜寻攻击的功能。机器人设有智能程度切换的功能，可间接调整机器人的操控难度，扩大格斗机器人的使用人群范围，提升操作者的操控体验感，并设有备用防御触发途径，增加格斗机器人的安全保障。

　　关键词：智能格斗机器人;STM32F103C8T6;超声波测距

　　随着科学技术的发展，机器人的应用领域不断扩展。与此同时，格斗机器人近年来在国内引起高度关注，出现了相关的综艺节目，如《铁甲雄心》《机器人争霸》等。这些综艺节目吸引了不少学生创客以及格斗机器人爱好者的关注。格斗机器人处于技术驱动类型的领域，有着十分正向的价值输出，其适应于格斗机器人的竞赛或表演与机器人教育机构的教学，往上可推广到军事作战领域作为战斗机器人，往下通过降低其攻击力，可制作成儿童玩具。对格斗机器人智能化的研究具有较高的理论研究价值和实用价值，基于此，本文设计了一种基于STM32的智能格斗机器人控制系统。

　　1机体机械结构设计

　　本文设计的格斗机器人的机体机械结构如图1-1、图1-2所示。其机体类型采用镀锌板组装的长方体类型，车身前部装有用于铲起对手的车铲，车身的顶部装有6000r/min电机驱动的攻击防御用螺旋桨，车身尾部装有两个750r/min电机驱动的高速攻击飞轮，行驶系统采用两个750r/min电机驱动的车轮，并配合一个万向轮，使转向行驶灵活。机器人整体设计的重心够低，抗击打能力优越，攻击性能强。

　　2控制系统硬件设计

　　以STM32为核心的控制系统的硬件组成包含九个模块，即：①STM32F103C8T6核心模块，②PS2手柄及接收模块，③AQMH2407ND双路直流电机驱动模块，④AQMH3615NS大功率直流电机驱动模块，⑤伟盛WS-60GA775F24V750rpm与WS-63ZYT108-R24V6000rpm直流电机，⑥DC-DC12A可调降压模块，⑦24V20Ah电源，⑧US-100超声波测距模块，⑨sw-18015P震动传感器模块。硬件电路设计采用模块化的设计方法，大大提高了系统的稳定性。智能格斗机器人的控制系统硬件结构框图如图2所示。

　　2.1控制核心模块设计

　　控制核心模块主要包括控制芯片STM32F103C8T6、时钟电路、电源电路、复位电路以及下载电路。STM32F103C8T6是一款基于ARMCortex-M3内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V。将该单片机外部接入8MHz晶振，经内部倍频产生最高时钟频率72MHz，1.25DMIPS/MHz,快速的指令执行速度使主控芯片能够运行复杂的滤波和控制算法。

　　2.2通信模块设计

　　选用PS2手柄控制格斗机器人。手柄采用2.4G无线技术，遥控距离可达10米左右。手柄负责发送按键指令;接收器接收手柄发送的消息并传给单片机，单片机也可通过接收器向手柄发送命令，配置手柄的发送模式。

　　2.3运动模块设计

　　选用两个WS-60GA775F24V750rpm直流电机和AQMH2407ND双路直流电机驱动模块构成机器人的运动模块。单片机连接该电机驱动模块，电机驱动模块连接上述直流电机，通过控制单片机IO口，实现对运动电机的转向与PWM速度的控制。

　　2.4武器模块设计

　　选用伟盛WS-60GA775F24V750rpm直流电机驱动机器人车身尾部装有的两个攻击飞轮，选用伟盛WS-63ZYT108-R24V6000rpm直流电机驱动机器人车身顶部装有的攻击防御用螺旋桨。电机驱动模块采用AQMH3615NS大功率直流电机驱动模块。单片机IO口连着该电机驱动模块，实现对上述武器电机的开关控制。

　　2.5电源模块设计

　　选用24V20Ah锂电池电源，经过DC-DC12A可调降压模块输出24V接入AQMH2407ND双路直流电机驱动模块和AQMH3615NS大功率直流电机驱动模块，而AQMH2407ND双路直流电机驱动模块则输出5V给单片机。

　　2.6传感器模块设计

　　US-100超声波测距模块与单片机相连，检测出障碍物与其之间的距离。sw-18015P震动传感器模块与单片机相连，检测震动量，并可通过电位器调节其感应震动的灵敏度。

　　3控制系统软件设计

　　设计有三种控制模式：手动模式、半智能模式、全智能模式。可使用PS2手柄进行控制模式的切换[1-2]。手动模式下，可控制机器人移动、加速、打开关闭螺旋桨或飞轮。半智能模式下，在手动基础上，增加自我防御的功能。全智能模式下，机器人自动前行，障碍物智能识别，并智能动作反馈处理，实现自我防御、自主避障以及搜寻攻击的功能。设计备用防御触发途径，增加了格斗机器人的安全保障。机器人软件系统设计流程如图3所示。

　　4软件系统设计流程

　　4.1超声波测距设计

　　单片机连接超声波测距模块，计算出模块到物体的距离。使用方法：将模块trig和echo端口置低，给trig端口发送10us的高电平脉冲(模块自动发送8个40K的方波)，捕捉echo端口输出上升沿，捕捉到则打开定时器计时，并捕捉echo端口下降沿，捕捉到后读出定时器时间，再经公式：(高电平时间*340m/s)/2获得距离。

　　4.2障碍物的智能判断设计

　　采用机身正前方的一个超声波测距模块实现。当单片机检测到机器人前方障碍物距离小于程序设定的安全距离时，机器人立即刹车，并进入障碍物智能判断的函数，依据敌方和障碍物动态性和静态性的区别，先保留障碍物与机器人距离的初始值，再运行设定的80ms一次的定时器中断，连续记录10个距离值，并求取其平均值，将平均值与初始值进行比较，若值相差较大，则判定前方物体为敌方;反之，则判定前方物体为障碍物。

　　4.3智能动作反馈设计

　　采用机身周围五个的超声波测距模块实现[3-4]。其中机身前方的三个超声波测距模块，用于机器人自主避障与跟随攻击的实现。单片机根据障碍物智能判断的不同结果，执行出相应的动作。根据比较这三个超声波测距模块检测到的距离，可得出前方物体的大概位置。随即进行控制车轮的转向，是敌方则打开螺旋桨跟随攻击，是墙壁则自主避障。其中机身两侧的两个超声波测距模块，用于机器人自我防御的实现。当敌方进攻机器人左右两侧并进入设定的安全范围时，则开启螺旋桨，提高运动电机PWM，逃脱敌方攻击。

　　4.4备用防御触发途径设计

　　机器人内部装有sw-18015P震动传感器，在用于检测敌方准备攻击的超声波测距模块损坏的情况下，当机器人受到敌方攻击时，单片机检测到上述传感器发出的低电平，判定受到敌方攻击，并迅速开启自我防御。此触发途径对于自身在进行跟随攻击敌方时自动失效，不会造成误触发。震动感应的灵敏度可通过传感器上的电位器进行调节。

　　5结束语

　　本研究小组设计了一种基于STM32的智能格斗机器人控制系统，对格斗机器人智能化，使其具有对障碍物的智能判断，并能根据不同障碍物的情况进行不同的动作反馈。机器人的智能程度可以切换调整，得以扩大格斗机器人的操作人群范围，提升操作者的操控体验感。考虑相关模块损坏的不确定因素，还设计有备用防御方案，增加机器人的安全运行保障。对格斗机器人智能化的研究具有较高的理论研究价值和实用价值，相信在未来充满无限美好的可能。

　　参考文献：

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　　[2]刘宁，陈冬琼，杨克磊.基于STM32最小系统串口通信显示系统设计[J].工业控制计算机，2017，30(8)：33-34.

　　[3]庹朝永.基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发[J].煤炭技术，2011(6)：70-71.

　　[4]吴晗，徐开芸，朱昊，等.基于单片机的球型机器人控制系统设计[J].机械设计与制造工程，2018，47(11)：53-5.

　　作者：林泽通 谢浩源 谢尚好 古世鹏 郑建晓 林展鹏 单位：广东石油化工学院