STM32双足机器人的控制系统设计

机器人是集众多高新领域于一身的高技术产物，由于技术的不断成熟，机器人的应用领域更加广泛，发挥越来越重要的作用。本文采用STM32单片机作为核心处理器，为姿态传感器MPU050、舵机及超声波测距传感器提供良好的控制平台。

1系统总体设计

该款机器人各关节的运动均由舵机实现，按照舵机所处位置将舵机分为四组，分别对应机器人的四肢，便于后期编程和调试。上位机通过无线串口向机器人主控制器发出指令，主控制器判断指令后控制对应舵机协调转动实现机器人直行、转弯、后退等一系列动作。在机器人运动的同时，姿态传感器MPU6050实时收集机器人的姿态数据并反馈到主控制器，主控制器对反馈回来的数据经过解算得到机器人的俯仰角、横滚角、航向角；根据三个姿态角的大小判明机器人运动的方向和姿态，对机器人运动路线进行修正和姿态的调节；并通过无线串口将信息发送到上位机，使操作人员及时了解运动状态，从而增强运动的稳定性；当前方有障碍物时，超声波传感器测出障碍物的距离，当距离超过预设的安全距离时，机器人将执行避障程序，绕开障碍物，确保能够继续运行。

2硬件组成及功用

系统的硬件部分主要由动力系统，控制模块，传感器模块，通信模块，电源模块等组成。具体如下：

2.1主控制器

控制系统采用STM32F103C8T6芯片核心板作为主控制器。该芯片是一款基于ARMCortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，运行频率高达72MHZ，工作电压2V~3.6V，可以输出多路PWM方波，能够支持多串口同时通信，体积小巧，重量轻；能够较好满足要求。

2.2数字舵机LD-220MG

数字舵机LD-220MG主要由马达、控制电路、减速齿轮等组成；相比于传统舵机具有响应速度快、控制精度高、线性度好等优势；同时该舵机扭矩较大，能够为双足机器人运动提供充足的动力。舵机的控制信号是脉冲位置调制(PWM)信号，周期为20ms，通过改变方波的脉冲宽度，使舵机转轴的角度发生变化。

2.3姿态传感器MPU6050

MPU6050整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，自带数字运动处理器（DMP:DigitalMotionProcessor）硬件加速引擎，通过IIC接口，输出姿态数据，非常方便的实现姿态解算。

2.4超声波测距传感器

HC-SR04超声波测距模块测距范围2cm-400cm，测距精度3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。主控制器向模块发出触发信号，模块内部将发出周期电平且接收器检测回波；根据接收回波的时间间隔，可以得出：距离=接收间隔时间*声速（340M/S）/2，从而实现测距。

2.5供电模块

机器人供电由一块7.4V大容量锂电池提供，但由于主控制芯片，舵机，传感器等器件工作电压不尽相同，所以需要对锂电池进行降压。利用MP1584降压芯片对锂电池进行降压然后其他元器件供电。该降压芯片通过手动调节可调电位器便可以调节输出电压，输出电压范围大，操作简单。2.6E50-TTL-500无线通信模块该模块是一款直插型无线串口模块（UART），收发一体，半双工，透明传输方式，兼容3.3V与5V的IO口电压，适用性强；发射功率大，传输距离远。同时，该模块的数据压缩功能和纠错算法，使其具有较强的抗干扰能力和较高传输效率。

3软件设计

机器人控制系统在软件方面的设计主要有舵机组动作程序，主程序，测距程序，姿态调节及路线修正程序。

4结束语

本设计能够通过无线串口远距离发送指令控制机器人；搭载精度较高的姿态传感器，在一定范围内能够自主调节机器人的姿态，保持平衡，降低跌倒风险，提高行走的稳定性，拓宽活动范围。同时，该款机器人拥有十二个自由度，运动较为灵活，亦可以将其改装成舞蹈机器人用于科普实验。

参考文献：

[1]阮晓钢等.双足行走机器人发展现状及展望[J].机械工程师,2007(02).

[2]宋怡雯,郭鹏.基于STM32的双足机器人运动控制系统设计[J].煤矿机电,2013(10).

[3]李佳怡.双足竞步机器人控制系统设计与实现[J].数字技术与应用,2018(06).

作者:张冬冬 单位:陆军航空兵学院