基于stm32单片机的自平衡小车系统的设计1

目录第一章 设计综述61.1 智能机器人系统国内外发展现状61.2 智能机器人系统设计任务概述71.3 课程设计主要内容7第二章硬件设计82.1机械结构方案设计82.1.1 机械臂方案设计82.1.2平衡车方案设计92.1.3关键零部件结构设计102.2驱动方案选择112.2.1电机选择112.2.2 电源选择122.2.3 电机驱动方案选择122.3 传感器的选择132.4 舵机的选择132.5 舵机控制板的选择13第三章控制系统设计143.1 控制系统总体方案143.2运动控制器选型143.2.1 陀螺仪加速度计模块143.2.2光码盘测速模块153.3电机驱动控制电路设计163.4电源供电电路设计16第四章软件设计174.1设计思想174.1.1 PID技术174.1.2应用现状174.2卡尔曼滤波184.3位姿控制方案与流程19第五章装配与调试205.1平衡车系统整体装配205.2系统调试流程与状况225.4系统缺陷与改进22第六章系统应用前景与分析23心得体会25参考文献26附录1元件清单27附录2 关键程序源码28摘要摘要：本说明书主要分为三个部分，项目方案设计、硬件设计、控制系统及其软件设计，对装配与调试过程作了简要的说明。该平衡小车在自平衡的基础上，增加了一个机械臂，以便于之后对小车功能进行扩展。本文介绍了基于stm32单片机的自平衡小车系统的设计。该系统使用陀螺仪、编码器等传感器进行状态数据采集，数据经过PID平衡算法对小车的速度倾斜角度平衡状态进行处理，并通过单片机来控制电机来实现双轮小车自如平衡地运动，从而实现小车智能自主控制的目的。单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便且价格低廉等优点。智能小车采用单片机为控制器核心，其集成度高、体积小、抗干扰能力强，具有独特的控制功能，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。关键词：自平衡小车 PID算法 单片机第一章 设计综述1.1 智能机器人系统国内外发展现状智能机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能机器人的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能机器人的自主性，这是就智能机器人与人的关系而言，即希望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性，提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。智能机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。在各国的智能机器人发展中，美国的智能机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策，各类机器人包括智能机器人的发展迅速。欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大。1.2 智能机器人系统设计任务概述在上学期课程研究项目循迹避障智能小车的基础上，我们小组自由设计并制作了一款新型专用机器人系统自平衡小车。该小车是基于一定的功能进行设计的，办公室人员之间经常会有交换资料的需求，来回取资料会花费大量的时间，为了节约时间，提高效率，我们希望可以做出一个能穿梭于办公室进行资料传送的平衡车。该平衡车具有以下优点：体积小，活动灵便，可依据工作环境不同做出相应改变。该专用机器人系统具备以下基本功能：a. 具备一定的自平衡能力，自动检测自身机械系统的倾角并完成姿态的调整；b. 具备一定的负载承载能力，在加载一定重量的重物时能够快速做出调整并保证自身系统的自我平衡；c. 具备速度调节能力，能够以不同的运动速度实现双轮车系统的前进、后退、左转与右转等动作；d. 具备无线通讯功能，能够实现双轮自平衡车系统的无线远程操作控制;e.具备传送功能，可以利用机械臂实现资料的运送。第一周我们主要进行了资料的查阅，机器人方案的确立，机器人总体的设计，并列出了材料清单。第二周主要进行c语言以及stm32单片机编程语言的学习与三维图二维图的初步绘制。第三周开始进行程序的编写，三维图二维图的收尾工作以及电路原理图的绘制。第四周开始小车的组装与程序的调试。1.3 课程设计主要内容（1）资料分析：查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为车身结构、机械臂和手爪等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）传感和信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息的正确传输。（4）运动控制方案设计；基于传感信息，采用单片机完成机器人控制系统硬件和软件的设计和系统调试。（5）编制课程设计说明书第二章硬件设计2.1机械结构方案设计2.1.1 机械臂方案设计图2-1-1机械臂图2-1-2机械臂平衡车上所搭载的机械手为2R机械手，结构简单，选用U型舵机支架搭建出该机械手的支承结构与末端手臂，关节处由舵机直接驱动，可在操作空间内完成简单的动作。其结构如图2-1-1、2-1-2所示。2.1.2平衡车方案设计图 2-1-3车体图2-1-4车体平衡车车体主要结构包括车体底板、连接底板的铜柱、电机支架与电机、车轮等。其中最底层底板作用是固定电机与电机驱动模块部分电路，中层底板用于放置STM32单片机控制电路，上层底板用于固定机械手，底板所使用的材料是亚克力板（PMMA），使用激光切割机切割成型。电机通过电机支架与最底层底板固连，其转轴通过联轴器与车轮相连，并带动车轮转动。其结构如图2-1-3、2-1-4所示。2.1.3关键零部件结构设计图2-1-5底板图2-1-6底板平衡车的大部分结构零件（机械臂、电机支架等）均为与舵机或电机配套的标准件，无需进行设计，结构中需要进行设计加工的只有车体所需的底板，考虑到底板与电机支架、底板与底板之间、底板与机械手等的连接，在各个底板上需要加工出相应位置的孔，以便于安装。小车的设计中，车轮直径为65mm，则在底板尺寸设计中，考虑到车体大小与车轮的协调比例，以及底板上电路板的安装位置，最终底板形状确定为圆形，直径为200mm。底板形状尺寸如图2-1-5、2-1-6所示。最终的装配三维图如图2-1-7所示。图2-1-7平衡车2.2驱动方案选择2.2.1电机选择在电动机的选择上，既可以选择步进电机，也可以选择直流电机。步进电机的显著特点是：a有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。b转换精度高，正反转控制灵活。而直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能够承受频繁地冲击负载，可实现频繁地无级快速启动、制动和反转能满足各种不同的特殊运行要求。再次考虑到成本，直流电机比步进电机要低许多。综上所述，选择直流电动机。表2-1 三种电机性能比较电机名称成本起动转矩精度调速方式编程任务量直流电机低大较高改变电枢电压或者改变磁通一般步进电机中小高通过加入延时程序任务较重伺服电机高较大高通过改变脉冲频率一般在平衡车中，需要对电机转轴所在的角度信息进行采集，所以在选用电机时要考虑到是否安装有编码器，项目所使用的是直流电机，最终选用JGA25-371减速电机，其具有AB相编码器，可实时监测电机转轴位置。其参数如下表所示。表2-2 JGA25-371电机参数型号：JGA25-371额定转速：100（rpm） 额定功率：1（W） 额定转矩：1（NM） 产品类型：有刷直流电动机 外形尺寸：24.4（mm） 额定电压：12（V） 产品认证：ROHS 额定电流：0.1（A） 适用范围：通用 2.2.2 电源选择方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车惯性。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电。因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电，其供电电路比较简单,权衡两方案优缺点最终决定采用方案二。2.2.3 电机驱动方案选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，已损坏，寿命较短， 可靠性不高。方案三：采用采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性极强，是一种广泛采用的电路。基于上述分析，拟选择方案三，经过查询了解，最终选择了TB6612FNG电机驱动模块，该模块是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，具有大电流的MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动两个电机，符合平衡小车方案的使用。2.3 传感器的选择平衡车主要工作用传感器为陀螺仪和编码器，前者用于监测平衡车状态，后者用于反馈电机转轴角度。二者实现了小车运动过程中对自身位姿的检测和调整，以达到运动平衡的目的。考虑到电路匹配、安装空间、成本控制等多方面因素，我们选择了MPU6050陀螺仪加速度检测模块，编码器选用了带有编码器的GJA25-371减速电机。2.4 舵机的选择在平衡车上搭载的扩展机械臂，其关节处是由舵机驱动的，在本次项目中，并没有对其提出负载要求，最终选用了MG995舵机用于机械臂的连接和驱动。其各项参数如表2-3。表 2-3 MG995舵机参数产品型号MG995产品尺寸40.7*19.7*42.9mm产品重量55g工作扭矩13KG/cm反应转速53-62R/M使用温度-30+60死区设定4微秒插头类型JR、FUTABA通用转动角度最大180度舵机类型模拟舵机工作电流100mA使用电压3-7.2V2.5 舵机控制板的选择在本次项目中，舵机采用舵机控制板进行控制。最终选用ArduinominiUSB24路舵机控制器作为机械臂舵机的控制。该舵机控制器有24条控制通道，可同时控制24路舵机（在此项目中只使用了两路）；控制器有两种通讯输入方式，分别为USB或者TTL；控制器输出PWM信号控制舵机位置及运动；舵机驱动分辨率为0.5us、0.045度；舵机控制器的波特率范围：9600、19200、38400、57600、115200、128000。控制器的存储空间为板载512K存储芯片。第三章控制系统设计3.1 控制系统总体方案该自平衡小车，采用stm32单片机和各种传感器的组合，构成了自平衡小车系统。齐系统主要由以下几部分组成：单片机控制系统、陀螺仪加速度检测模块、光码盘测速模块、稳压模块、电机驱动模块等组成。其系统框图如图3-1-1所示。图3-1-1 自平衡小车系统框图工作原理：给小车通电，平衡放在地上，当小车开始倾斜时，陀螺仪及时的采集小车倾斜角度数据传给单片机，而加速度计将车子倾斜的瞬时加速度采集后传给单片机，同时，光码测速仪也将车子的实时速度采集后传给单片机。单片机系统收集到以上三组数据，对数据进行量化处理后，在PID平衡算法的控制下，控制电机及时的做出前进或后退或加速或减速的反应，使车子在一个小角度范围内做平衡的来回摆动，以保持车子不倒。3.2运动控制器选型3.2.1 陀螺仪加速度计模块本设计中所采用的陀螺仪加速度设模块为MPU6050，之所以选择这个模块，是因为其有以下优点：（1）集角度测量与加速度测量于一体（2）同时测量三轴上的角度与加速度测量（3）其输出为数字信号，便于处理于存储与传输（4）测量范围大，反应快。以下是MPU6050相关资料MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并拥有数位运动处理(DMP)硬件加速引擎，可借由第二个I2C端口连接其他品牌的加速器、磁力传感器、或其他传感器，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术。InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。MPU-6050的角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为2g、4g、8g与16g。产品传输可透过最高至400kHz的I2C或最高达20MHz的SPI。MPU-6050可在不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VVDIO供电为1.8V5%。MPU-6050的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有1%变动的振荡器。3-2-1 实物图 图3-2-2 引脚图 图3-2-3 IO口连接图3.2.2光码盘测速模块 光码盘测速模块作用为检测电机速度，并根据程序算法的输出对电机的转动状态（正反转，转动速度等）进行调整，以维持平衡车车体处于稳定平衡状态。由于项目所选用的电机为JGA25-371，所以光码盘测速模块为该直流电机结构上所带的334线编码器，334线编码器是指转动一圈输出334个脉冲信号。 图3-2-4 电机A编码器引脚连接图 图3-2-5 电机B编码器引脚连接图3.3电机驱动控制电路设计在本次项目设计中，平衡小车的电机控制方式选用了以TB6612FNG电机驱动模块驱动控制，该电机驱动模块为双通道驱动，可驱动两个电机，其引脚连接图如图3-3-1所示，其VM1引脚接12V电源供电，VCC引脚接5V电源供电，A01和A02、B01和B02分别接平衡车左右两电机的驱动接口，为信号输出接口。PWMA、PWMB、AIN1、AIN2、BIN1、BIN2等引脚接STM32的IO口，为信号输入接口。图3-3-1 TB6612FNG引脚连接图3.4电源供电电路设计在平衡小车各电气模块中，编码器、陀螺仪等元器件需要3.3V的工作电压供给，电机驱动，蓝牙等模块需要5V或12V的电压供给，所以在供电电路中使用了两个LM2596DC降压稳压模块来为各模块提供所需要的电压。 第四章软件设计4.1设计思想机械臂的运动为舵机控制器控制的动作组，所以控制软件设计的主要工作为平衡车运动及控制程序设计，其主要是通过PID技术对小车的状态进行实时地跟踪及调整。现对PID算法作些介绍。4.1.1 PID技术控制技术是运动控制的核心，各种先进控制技术的研究不断推动着运动控制的发展，比如自适应控制技术和以神经网络和模糊控制为代表的智能控制技术，但在实际生产实践中应用最普遍的还是各种以PID为代表的基本控制技术按照偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。本节将对系统用到的PID控制技术做相应的介绍和研究，传感器将车体的角度和运动速度等信息传递给系统控制器，控制器经分析处理运用PID控制技术，将目标命令传递给电机驱动器来完成系统的闭环控制。4.1.2应用现状 在电机伺服系统的控制中，经典的PID控制具有其结构简单、鲁棒性强以及现场对Pro的广泛使用积累了丰富的经验等优点，在无刷直流电动机的控制方面一直占有很重要的地位。PID的引入保证了其系统响应的快速性，稳定了闭环控制器，补偿了由逆变器引起的控制误差。PID控制器就是将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制。PID算法是目前工业过程控制中应用最广泛的控制算法。PID算法应用如此广泛，是因为它具有如下优点:(1)算法较为简单，易于实现；(2)基于线性控制理论，具备许多成熟的稳定性分析方法，有较高的可靠性；(3)可以在很宽的操作条件内保持较好的鲁棒性，对于控制对象模型参数小范变化不敏感；(4)不要求了解控制对象的精确数学模型。利用许多成熟的参数整定方法，可以根据控制对象的实际响应曲线来计算PID控制器的参数；(5)允许工程技术人员以一种简单直接的方式来调节控制系统，以达到希望得到的控制性能，如上升时间、最大超调量和稳态误差等。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。4.2卡尔曼滤波卡尔曼滤波一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法，也是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器)，能够从一系列的不完全及包含噪声的测量中，估计动态系统的状态。不仅仅能估计信号的过去和当前状态，甚至能估计将来的状态。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。卡尔曼滤波器解决离散时间控制的一般方法，首先定义模型线性随机微分方程X(k)=AX(k-1)+BU(k)+W(k)，假设卡尔曼滤波模型k时刻的真实状态是从k-1时刻推算出来的，式中X(k)是k时刻的状态，A是k-1时刻状态变换模型，B是作用在控制器向量U(k)上输入控制模型，W(k)是过程噪声， 假设其均值为零，协方差矩阵符合多元正态分布。k时刻对应真实状态X(k)的测量Z(k)，满足Z(k)=H(k) X(k)+V(k)，式中是H(k)观测模型，将真实控制映射为观测空间，V(k)为观测噪声，其均值为零，协方差矩阵符合正态分布。 卡尔曼滤波器的操作主要包括两个阶段：预估与更新。在预估阶段，滤波器根据上一时刻状态，估算出当前时刻状态；在更新阶段，滤波器利用当前时刻观测值优化在预估阶段获得的测量值以获得更精确的新估测值。 4.3位姿控制方案与流程平衡小车的核心是对小车运动位姿状态的控制，只有能够保持车体位姿的平衡，自平衡小车才能进行其他的控制和扩展。小车位姿控制采用PID控制技术进行控制，即通过传感器对小车位姿及运动状态进行检测，将其作为反馈信号输入PID控制系统中，调节合理的比例系数，得到控制小车电机运动的输出信号，调整车体位姿。其位姿控制流程图如图4-3-1所示。图4-3-1 位姿控制流程图第五章装配与调试5.1平衡车系统整体装配平衡车组件简单，初期设计时小车为两层，后来在实际的安装过程中，由于各电气模块的安装需求，将小车结构改成了三层结构，利用铜柱将其连接起来，并在各层安装固定电气模块，机械手安装在小车顶层。安装情况如图5-1-1、5-1-2、5-1-3、5-1-4、5-1-5、5-1-6所示。 图5-1-1 底板元件安装 图5-1-2 电机，车轮安装图5-1-3 单片机接线 图5-1-4 单片机接线 图5-1-5 机械臂图5-1-6 小车实物5.2系统调试流程与状况系统调试主要是小车平衡状态的调试，小车的位姿平衡状态是利用PID控制系统来实现的，系统检测陀螺仪和编码器的输入信号，经过计算，输出能够保持小车平衡的PWM信号，在控制小车位姿平衡的控制系统中，比例控制作用是放大倾角偏差，输出电机控制，对小车来说，比例控制提供了抵消重力分量的恢复力，微分控制主要作用是预知倾角偏差的变化趋势，在系统中阻止其变化。系统中比例控制可以使小车达到位姿稳定，但调整时间长，且导致车体震荡；微分控制可减小动态偏差，缩短控制过程时间。所以在调试过程中，需要调整的参数有kp和kd。kp增大能够保证车体直立，但过大将会导致车体摆动。kd增大可以抑制车体摆动，但过大会因为共振导致车体零件本身的震动。所以采用试凑法，先调整kp大小，使车体能够直立，然后将kp减小，慢慢增大kd的值，稳定后再提高kp，微调kd使车体能够快速稳定的保持平衡。 由于小车搭载了扩展机械臂，重心较高，在电机扭矩不足时难以保持平衡，所以调试过程分为三部分，先对小车自身的平衡进行调试，再将机械臂安装上之后进行调试，最后对机械臂运动状态下的平衡车进行调试。而且在结构部分上，将电池安装在车底部，降低小车整体的重心，降低平衡调试的难度。5.4系统缺陷与改进小车的机械结构高度过高，且扩展了机械臂部分，导致重心位置上移，对直流电机造成的负载过大，小车不易保持平衡，所以在结构部分上，将电池安装在车底部，降低小车整体的重心，使小车更易于保持平衡；在初期设计中，小车底板两两之间的连接是使用了六根铜柱，但这妨碍了面包板的固定，所以安装时减少为四根，给电气系统的搭建留出了足够的空间；另一方面，由于零件不足，铜柱难以找到相同高度的八根，所以在安装时使用了小铜柱对底盘高度进行微调，使其保持水平；陀螺仪在安装时难以与底板保持水平，所以在调试时对陀螺仪的所测倾角进行微调，以保证准确性。最终做成的小车并没有达到理想的状态，它仅仅勉强完成了一个“平衡”的效果，我们设想中的呼应功能、机械臂的托举功能均未能实现。第六章系统应用前景与分析随着人们物质文化生活水平的不断提高，智能化的电子玩具深受人们的喜爱，尤其是各种智能小车，由于这类玩具具有较好的交互性，可控性，能够给人们带来很好的娱乐以及参与其中的体验，高科技智能化的电子类玩具逐渐成为市场的主流。与此同时，智能小车可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，尤其在足球机器人研究方面具有很好的发展前景。因此，智能化小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。智能小车及其所代表的轮式机器人，再加上可控机械臂，可以在特定的程序下实现无人操作，最适合在那些人类无法工作的环境中工作。该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。在产品检测方面，对零部件、线路板及其它类似产品的检测是机器人比较常见的应用。一般来说，检测系统中还集成有其他一些设备，他们是视觉系统，X射线装置、超声波探测仪或者其他类似的仪器。在瓦斯、地压检测方面，瓦斯和冲击地压是井下作业中的两个不安全的自然因素，一旦发生突然事故，是相当危险和严重的。但瓦斯和冲击地压在形成突然事故之前，都会表现出种种迹象，如岩石破裂等。采用带有专用新型传感器的移动式机器人，连续监视采矿状态，以便及早发现事故突发的先兆，采取相应的预防措施。在智能轮椅领域，随着社会的发展和人类文明程度的提高，人们特别是残疾人愈来愈需要运用现代高新技术来改善他们的生活质量和生活自由度。智能轮椅主要有口令识别和语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能。用于帮助残障人行走的机器人轮椅。在危险环境下，机器人非常适合在危险的环境中使用。在这些险恶的环境下工作，人类必须采取严密的保护措施。而机器人可以进入或穿过这些危险区域进行维护和探测工作，且不需要得到像对人一样的保护。在水下、太空及远程环境下，机器人也可以用于水下、太空以及远程的服务和探测。虽然尚没有人被送往火星，但已有许多太空漫游车在火星登录并对火星进行探测。如美国的“勇气”号和“机遇”号的主要任务是在火星上探水，它们已分别在其着陆区域附近找到火星上曾有水的证据。在智能车辆领域，智能小车自动行驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如能切实提高道路网络的利用率、降低车辆的燃油消耗量，尤其是在改进道路交通安全等方面提供了新的解决途径。智能小车机器人功能多样，集娱乐教学于一体，价格合理，几百块钱，大众都能消费得起，市场前景良好。心得体会这次的二级项目对于我们来说是一次很好的锻炼机会，理论与实践的结合往往能够让人们更快更好的理解和学习到知识，对于此我是有很深的体会的，经过这次二级项目的锻炼，我学习到了很多。首先是对课本上知识的再理解，学以致用；其次，这次项目的编程主要用以前没有接触的c语言和stm32单片机，学到了很多新知识；最后，本次项目进行的过程中，我们是一个团队，团队合作是很重要的，一个合作愉快的团队能够充分激发每一个成员的潜力，达到一个满意的结果。参考文献1 谭浩强 C程序设计（第四版） 清华大学出版社 2010.062 苏小红 C语言大学实用教程 电子工业出版社 2007.093 黄智伟 STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践北京航空航天大学出版社 20124 沈建良 STM32F10X系列ARM微控制器入门与提高北京航空航天大学出版社 2013附录1元件清单成本分析元件单价（元）数量总价（元）车轮65mm6212联轴器5mm326JGA25-371电机25250电机支架326MG995舵机20240电源50150面包板5210STM32单片机30130TB6612FNG电机驱动2012024路舵机控制器30130LM2596DC降压稳压模块20240MPU-6050陀螺仪20120蓝牙模块30130其他50总计394附录2 关键程序源码一、编码器部分（Encoder）:/*函数功能：把TIM2初始化为编码器接口模式入口参数：无返回 值：无*/void Encoder_Init_TIM2(void)RCC-APB1ENR|=1APB2ENR|=1CRL&=0XFFFFFF00;/PA0 PA1GPIOA-CRL|=0X00000044;/浮空输入/* 把定时器初始化为编码器模式 */ TIM2-PSC = 0x0;/预分频器TIM2-ARR = ENCODER_TIM_PERIOD-1;/设定计数器自动重装值 TIM2-CCMR1 |= 1CCMR1 |= 1CCER |= 0CCER |= 0SMCR |= 3CR1 |= 0x01; /CEN=1，使能定时器/*函数功能：把TIM4初始化为编码器接口模式入口参数：无返回 值：无*/void Encoder_Init_TIM4(void)RCC-APB1ENR|=1APB2ENR|=1CRL&=0X00FFFFFF;/PB6 PB7GPIOB-CRL|=0X44000000;/浮空输入/* 把定时器初始化为编码器模式 */ TIM4-PSC = 0x0;/预分频器TIM4-ARR = ENCODER_TIM_PERIOD-1;/设定计数器自动重装值 TIM4-CCMR1 |= 1CCMR1 |= 1CCER |= 0CCER |= 0SMCR |= 3CR1 |= 0x01; /CEN=1，使能定时器/*函数功能：单位时间读取编码器计数入口参数：定时器返回 值：速度值*/int Read_Encoder(u8 TIMX) int Encoder_TIM; switch(TIMX) case 2: Encoder_TIM= (short)TIM2 - CNT; TIM2 - CNT=0;break; case 3: Encoder_TIM= (short)TIM3 - CNT; TIM3 - CNT=0;break; case 4: Encoder_TIM= (short)TIM4 - CNT; TIM4 - CNT=0;break; default: Encoder_TIM=0; return Encoder_TIM;2、 陀螺仪部分（IIC）:/*实现函数*函数原型:void IIC_Init(void)*功能:初始化I2C对应的接口引脚。*/void IIC_Init(void)RCC-APB2ENR|=1CRH&=0XFFFF0FF0;/PA8/11 推挽输出GPIOA-CRH|=0X00003003; /*实现函数*函数原型:void IIC_Start(void)*功能:产生IIC起始信号*/int IIC_Start(void)SDA_OUT(); /sda线输出IIC_SDA=1;if(!READ_SDA)return 0;IIC_SCL=1;delay_us(1); IIC_SDA=0;/START:when CLK is high,DATA change form high to low if(READ_SDA)return 0;delay_us(1);IIC_SCL=0;/钳住I2C总线，准备发送或接收数据 return 1;/*实现函数*函数原型:void IIC_Stop(void)*功能: 产生IIC停止信号*/ void IIC_Stop(void)SDA_OUT();/sda线输出IIC_SCL=0;IIC_SDA=0;/STOP:when CLK is high DATA change form low to high delay_us(1);IIC_SCL=1; IIC_SDA=1;/发送I2C总线结束信号delay_us(1); /*实现函数*函数原型:u8 IIC_Wait_Ack(void)*功能: 等待应答信号到来 /返回值：1，接收应答失败；0，接收应答成功*/int IIC_Wait_Ack(void)u8 ucErrTime=0;SDA_IN(); /SDA设置为输入 IIC_SDA=1;delay_us(1); IIC_SCL=1;delay_us(1); while(READ_SDA)ucErrTime+;if(ucErrTime50)IIC_Stop();return 0; delay_us(1);IIC_SCL=0;/时钟输出0 return 1; /*实现函数*函数原型:void IIC_Ack(void)*功能: 产生ACK应答*/void IIC_Ack(void)IIC_SCL=0;SDA_OUT();IIC_SDA=0;delay_us(1);IIC_SCL=1;delay_us(1);IIC_SCL=0;/*实现函数*函数原型:void IIC_NAck(void)*功能: 产生NACK应答*/ void IIC_NAck(void)IIC_SCL=0;SDA_OUT();IIC_SDA=1;delay_us(1);IIC_SCL=1;delay_us(1);IIC_SCL=0;/*实现函数*函数原型:void IIC_Send_Byte(u8 txd)*功能: IIC发送一个字节*/ void IIC_Send_Byte(u8 txd) u8 t; SDA_OUT(); IIC_SCL=0;/拉低时钟开始数据传输 for(t=0;t7; txd=1; delay_us(1); IIC_SCL=1;delay_us(1); IIC_SCL=0;delay_us(1); /*实现函数*函数原型:bool i2cWrite(