基于STM32F103蓝牙控制的能全方向移动小车设计

摘要随着计算机、微电子、信息技术的快速发展，智能化技术的开发速度越来越快，程度越来越高，广泛应用于海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域。智能电动小车系统以迅猛发展的汽车电子为背景，我们小组设计了一种基于STM32F103并由蓝牙控制的能全方向移动的小车。在此次设计中我们针对被广泛运用的运输小车为设计对象。我们知道，运输小车作为在搬运物体时的有力工具被广泛运用于各种场合,而很多场合空间都比较狭窄，并且由于传统小车底盘设计的局限性，小车在狭小空间的运动不是很灵活。此次设计通过采用麦克纳姆轮，进行了新的底盘设计，实现了小车的全向运动，使小车能满足狭小作业空间运动的需求。对于小车的控制，即是对于电机的控制。电机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中，所以怎么更好的对电机进行控制就显得尤为重要。基于Cortex- M3内核的STM32F10x系列芯片是新型的32位嵌入式微处理器，其性能优良，移植性好，提高了对直流电机的控制效率，并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。在硬件方面，我们除了对电机方向的控制，还增加了蓝牙模块，可以对底盘进行前、后、左、右四个方向移动控制。在Keil MDK的Vision5集成开发环境下进行stm32工程，编写程序。所有的新新产业中都追求小规模高效率，而蓝牙技术可以降低传统工程的工程量，同时可以节省大量由排线、线路维修、检测上的一些不必要的障碍和消耗。同时，在实时运行阶段也可以明显体现它的便携性，高效性和节能性。关键词：stm32 蓝牙 麦克纳姆轮目录第一章 设计综述51.1智能机器人系统国内外发展现状51.2课程设计主要内容5第二章方案设计62.1机械结构方案设计62.11麦克纳姆轮的选择62.12减震结构设计62.13电机与轮子连接72.2驱动方案选择72.21电机选择72.22蓝牙模块选择82.3结构的合理性8第三章机械系统设计93.1机械系统整体方案93.2关键零部件设计103.3驱动关节运动轨迹规划10第四章控制系统设计114.1控制系统总体方案114.2驱动电机控制电路设计114.3蓝牙模块电路设计12第五章软件系统设计125.1软件系统总体方案125.2轨迹控制方案13第六章 装配与调试156.1小车实物装配156.2调试状况16第七章 市场应用前景分析167.1市场调查167.2市场需求17项目心得18参考文献19附录一 成本分析20附录二 程序源代码21第一章 设计综述1.1智能机器人系统国内外发展现状 在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪 的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有 一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义， 成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机 械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之 能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供 有价值的平台参考和有用的思路。国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人 上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具 有不同特色的移动机器人产品。国外研究的最典型的全方位轮是麦克纳姆轮。图11.2课程设计主要内容我们采用基于Cortex- M3内核的新型32位嵌入式微处理器STM32F10x系列芯片，其性能优良，移植性好，提高了对直流电机的控制效率，并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。在硬件方面，我们除了对电机方向的控制，还增加了蓝牙模块，可以对底盘进行前、后、左、右四个方向移动控制。在Keil MDK的Vision5集成开发环境下进行stm32工程，编写程序。所有的新新产业中都追求小规模高效率，而蓝牙技术可以降低传统工程的工程量，同时可以节省大量由排线、线路维修、检测上的一些不必要的障碍和消耗。同时，在实时运行阶段也可以明显体现它的便携性，高效性和节能性。 第二章方案设计2.1机械结构方案设计2.11麦克纳姆轮的选择根据题目负重50KG(考虑底盘自重问题设定实际轮所承受重量70KG)和实现全方位的移动要求，由网上资料知，麦克纳姆轮6寸轮（152mm）满足承载能力并且能够实现全方位的移动。如图2所示。图22.12减震结构设计为满足底盘可以平稳越过一定障碍，设计了减震机构。模仿常见车体减震机构。如图3所示。图32.13电机与轮子连接采用联轴器使麦克纳姆轮和电机连接在一起。如图4所示。图42.2驱动方案选择2.21电机选择根据题目车速0.5m/s，爬坡30度计算可得选择电机：功率70W，减速空载100rpm,扭矩135kg.cm。如图5所示。图52.22蓝牙模块选择蓝牙模块BT-HC05模块是一款高性能的蓝牙串口模块。可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对。可以很容易的使用手机APP控制电机的转向来控制小车。如图6所示。图62.3结构的合理性使用SolidWorks对小车底盘进行仿真模拟，对底盘中间部位施加一个均匀分布的500N的压力。经过仿真分析，发现静态位移只有1.707mm。如图7所示。形变量很小，所以能够承重50KG的物体。图7第三章机械系统设计3.1机械系统整体方案整体模仿普遍的智能小车底盘，能够减震和承重。如图8所示。图83.2关键零部件设计支架使底盘和电机完美连接起来。如图9所示。图93.3驱动关节运动轨迹规划图10 (b)的结构形式可实现全方位运动，麦克纳姆轮底盘实现 x，y 方向的直线运动，也能实现绕中心 O 点的定点旋转。三个方向的运动中，系统所有轮都是驱动轮。系统不仅能实现全方位运动，且驱动性能较好，是最优结构布局形式。图10图11表明的麦克纳姆轮小车实现全方位移动的电机转向的配合。图11第四章控制系统设计4.1控制系统总体方案采用STM32进行控制，用蓝牙模块与手机端APP进行匹配连接，从而控制小车的全方位移动。图12 4.2驱动电机控制电路设计用驱动模块控制电机，通过STM32输送给驱动模块PWM波，来进行控制电机的正转和反转。图134.3蓝牙模块电路设计Stm32的PB11和PB10分别与蓝牙模块的TX和RX端相连。并连接3.3V电源。图14第五章软件系统设计5.1软件系统总体方案整个小车控制系统的程序设计采用模块化的编程思想，通过手机APP连接小车蓝牙模块，从而控制小车的移动，整个主程序的流程图如图15所示。图155.2轨迹控制方案如图11所示，控制4个电机的转向来控制小车的前进、后退、左走、右走。部分程序如图16所示。图16第六章 装配与调试6.1小车实物装配图17麦克纳姆轮与联轴器通过螺栓连接一起，电机轴与联轴器通过键连接一起，支架通过螺栓与底盘连接。6.2调试状况图18支架与底盘连接时，出现孔对不齐。通过磨损螺栓六角头来使之对齐。第七章 市场应用前景分析7.1市场调查首先，对全向运动小车的需求进行调查 运载小车底盘被广泛使用在工厂、仓库、人不宜接近有危险的特殊环境等。在经过市场调查我们了解到在实际工作环境中经常会遇到各种拥挤狭小的工作情况，普通的运载小车已不能达到要求将物品送至目标位置。例如车间里规定的行车道如图17所示，在规定的车道里运输车的转弯半径等都受到限制。工作空间狭窄是这些工作环境的共同特点，因此如何实现全向运动是很有必要的。图177.2市场需求通过调查，在现在大多数车间或其他场合，都需要能实现自由灵活运动的运输小车底盘。而我们提出的全向运动小车底盘刚好能满足这个需求。将客户的需求转化到小车底盘上则对小车底盘有以下功能需求：（1）能够在行驶时实现转向；（2）稳定性好，不易翻车； （3）刚度好； （4）可实现全向移动。所以我们设计一种全方位移动的小车底盘麦克纳姆轮底盘项目心得回首整个创新设计过程,遇到了不少困难，活动也很辛苦，当然也有逐步克服困难后的喜悦，真个过程是令人兴奋和终身难忘的。在这里我认为困难并不可怕，只要有决心，再把个人精神与团队精神相结合就能很好地把困难克服，要想成为一个有所成就的机械设计者，我认为必须要有良好的奉献精神，做机械设计是一个艰苦的过程，必须能耐得住寂寞，守得住枯燥，只要这样，必然会有面对收获的一天。除此之外，在课题进行过程中，使我们对查找资料与提炼信息、分析总结信息的能力有了很大的提高，另外在进行的过程中对已经学过的软件进行了相当的强化，相信无论是对以后的课程设计还是毕业设计，甚至是在以后参加工作后的能力培养是非常关键的！参考文献1刘杰.机电一体化技术基础与产品设计M.冶金工业出版社,2003.2李广弟 朱月秀 冷祖祁.单片机基础M.北京航空航天大学出版社,2007.3熊有伦.机器人技术基础M.华中科技大学出版社,1995.4闰国荣.张海兵. 一种新型轮式全方位移动机构M. 哈尔滨工业大学学报，2001，33(6). 5吕伟文.全方位轮移动机构的结构设计M. 机械与电子，2006(12).附录一 成本分析麦克纳姆轮及联轴器1400元蓝牙模块10元电机1200元弹簧40元螺栓与螺母10元驱动模块230元STM32芯片20元变压器300元降压模块、电源40元亚克力板50元总计3300元附录二 程序源代码#include motor.h#include interface.h#include stm32f10x.hvoid MotorGPIO_Configuration(void)GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FRONT_LEFT_F_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(FRONT_LEFT_F_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FRONT_LEFT_B_PIN;GPIO_Init(FRONT_LEFT_B_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FRONT_RIGHT_F_PIN;GPIO_Init(FRONT_RIGHT_F_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = FRONT_RIGHT_B_PIN;GPIO_Init(FRONT_RIGHT_B_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEHIND_LEFT_F_PIN;GPIO_Init(BEHIND_LEFT_F_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEHIND_LEFT_B_PIN;GPIO_Init(BEHIND_LEFT_B_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEHIND_RIGHT_F_PIN;GPIO_Init(BEHIND_RIGHT_F_GPIO, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BEHIND_RIGHT_B_PIN;GPIO_Init(BEHIND_RIGHT_B_GPIO, &GPIO_InitStructure); void CarMove(void) if(front_left_speed_duty 0)if(speed_count front_left_speed_duty)FRONT_LEFT_GO;elseFRONT_LEFT_STOP;else if(front_left_speed_duty 0)if(speed_count 0)if(speed_count front_right_speed_duty)FRONT_RIGHT_GO;else FRONT_RIGHT_STOP;else if(front_right_speed_duty 0)if(speed_count 0)if(speed_count behind_left_speed_duty)BEHIND_LEFT_GO;else BEHIND_LEFT_STOP;else if(behind_left_speed_duty 0)if(speed_count 0)if(speed_count behind_right_speed_duty)BEHIND_RIGHT_GO;else BEHIND_RIGHT_STOP;else if(behind_right_speed_duty 0)if(speed_count (-1)*behind_right_speed_duty)BEHIND_RIGHT_BACK;else BEHIND_RIGHT_STOP;else BEHIND_RIGHT_STOP;void CarGo(void)front_left_speed_duty=SPEED_DUTY;front_right_speed_duty=SPEED_DUTY;behind_left_speed_duty=SPEED_DUTY;behind_right_speed_duty=SPEED_DUTY;void CarBack(