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1、基于STM32F103C8T6的嵌入式服务机器人体感遥控器的设计与实现浅析引言服务机器人作为多种高新技术发展成果的集成,为实现服务的目的,需要通过人性化、简便、自然的方式进行人机交互,传统的按键式遥控器显然不能满足这种设计要求。目前,体感设备发展迅速,各类基于体感控制的装置层出不穷。体感控制就是通过肢体动作变化来实现控制,基于体感装置的人机交互已经成为当前研究的热门课题。常见的无线遥控技术不外乎红外遥控技术和无线电遥控技术。其中红外遥控技术优点就是带宽大,但是需要较强的指向性,传输距离短,穿透能力差,功耗高;与之相比,无线电遥控技术无方向性,抗干扰能力和穿透能力强,传输距离远,功耗低。因此,无
2、线电遥控技术更加适合于智能家居、消费类电子和机器人控制等领域。本文以STM32F103C8T6作为主控制器,采用iNEMO惯性导航模块、nRF24L01无线模块和12864液晶显示模块。设计的嵌入式体感遥控器具有体积小、操作简单、可靠性高、可扩展性强等优点,能够较好地满足对服务机器人可靠遥控的要求,具有较大的应用推广价值。1 系统功能要求及整体架构11 基本功能要求具备实时准确发送相应控制指令的能力。根据手部姿态确定指令的内容。具备接收机器人本体回传数据包的能力。根据接收的数据包进行解析,进而判断本体接收的控制指令是否正确。具备当前指令和机器人当前状态信息的显示能力。一方面将发送的控制指令在L
3、CD液晶屏上予以显示;另一方面根据机器人本体回传的数据包,解析得出机器人的状态,在LCD液晶屏上进行显示。具备电池电量检测和低压报警功能。将剩余电量实时地显示在LCD液晶屏上,当电量不足时,通过蜂鸣器进行报警提示。12 系统整体方案及架构iNEMO惯性导航模块的基本原理如图1所示,利用MEMS传感器和主控芯片STM32F103RET7提供动静态方向和惯性测量功能。集成双轴滚转-俯仰陀螺仪(LPR430AL)、单轴偏航陀螺仪(LY330ALH)、6轴地磁测量模块(LSM303DLH)、压力传感器(LPS001DL)和温度传感器(STLM75)5个意法半导体公司的传感器,运行一个AHRS姿态角运算
4、系统,从而实现对姿态角的实时测量。本遥控器采用ST公司具有Cortex-M3内核的ARM控制器STM32F103C8T6作为主控制器,采用ST公司的iNEMO惯性导航模块进行手部姿态检测,采用nRF24L01无线模块实现指令的发送和数据的接收,采用12864液晶显示模块对当前控制指令、机器人当前状态和剩余电量予以显示,采用LED和蜂鸣器实现提示和报警功能。遥控器软件上使用COS-II实时嵌入式操作系统,能够实现实时性内核、任务管理、时间管理、通信与同步、内存管理等功能。系统的整体架构如图2所示。2 硬件电路设计21 主控制模块电路主控制器STM32F103C8T6芯片,工作频率高达72 MHz
5、,内置64 KB的Flash和20 KB的SRAM,具有丰富外设和超低功耗,完全满足本设计要求。主控制模块电路图如图3所示,参照ST公司发布的STMF10xxx硬件开发入门文档,该部分包括外部时钟电路、模拟电源输入、电源滤波、下载仿真口的设计。22 电源模块电路本遥控器采用84 V锂电池供电,采用TL750M05C稳压芯片提供5 V电压,选用REG1117-33稳压芯片为系统提供33 V电压。STM32F1 03C8T6电源分为模拟电源与数字电源,为了保证其正常工作,将两路电源进行隔离设计,在模拟地与数字地之间通过0电阻实现单点共地。为监测锂电池电源电压,将电池电压经电阻分压及阻容滤波电路滤波
6、后作为STM32F103C8T6采样输入。23 无线通信模块及显示模块电路无线通信模块采用24 GHz频段射频芯片nRF24L01作为无线数据收发芯片,工作于2425GHz ISM频段,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时,工作电流只有9 mA;接收时,工作电流只有123 mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01采用SPI总线方式与控制芯片进行通信。12864液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字(161 6点阵)、128个字符(816点阵)及64256点阵显示RAM(GDRAM),具
7、有并行数据传送方式和串行数据传送方式,其中串行数据传输方式只用到CS、SID、SCK 3个通信引脚,较并行数据传送方式节省单片机的IO引脚,本文采用串行传输方式进行设计。3 软件系统设计体感遥控器的软件系统设计基于实时嵌入式操作系统COS-II,借助于COS-II内核的多任务管理和优秀的实时性能,大大简化了软件系统设计,并且可以保证系统响应的实时性。31 任务分配与实现在任务规划的过程中,采用分层次和模块化的思想将整个系统任务进行划分。首先,我们必须对系统整体的控制任务有清楚地了解,具体任务划分如表1所列。表1中除OSTaskStat和OSTaskIdle任务为系统自带,其他8个任务均为用户创
8、建。其中:App_TaskStart为起始任务,系统运行后第一个建立的任务,其作用是为初始化系统时钟和底层设备创建所有事件和其他任务;App_TaskAD任务监视电池电压的变化,当电压低于设定值Low Battery时,将启动蜂鸣器报警;App_TaskAHRS任务通过DMA不断接收iNEMO惯性导航模块数据,然后交由USART1接收缓冲区,实时获得手部姿态信息;App_TaskCmd根据手部姿态信息转化为机器人运动指令,然后按照制定的通信协议通过nRF24L01无线模块将指令数据包发送出去;App_TaskData任务在每发送一次指令数据包后,通过nRF24L01无线模块接收机器人本体回传的
9、运动状态信息包;App_TaskLCD任务实现运动指令、机器人运动状态、电池电量、实时时钟在12864液晶显示模块上的显示;App_TaskLED_B任务通过LED指示遥控器上的主控芯片与iNEMO惯性导航模块、遥控器与机器人是否通信正常,当电池电量过低时,通过蜂鸣器进行报警;App_TaskClock任务得到DS1302的实时时钟,通过消息邮箱App_LCDClockMbox发送给App_TaskLCD任务予以实时显示。32 任务间通信设计任务和中断服务子程序可以通过事件控制块与其他任务进行通信,常用的通信方式有信号量、邮箱和消息队列,同时,通过事件标志实现任务与事件之间的同步。本操作系统共
10、创建了8个消息邮箱和1个事件标志:OS_EVENT *App_AHRSMboxOS_EVENT *App_CommandMboxOS_EVENT *App_DataMboxOS_EVENT *App_ADMboxOS_EVENT *App_LCDCmdMboxOS_EVENT *App_LCDDataMboxOS_EVENT *App_LCDADMboxOS_EVENT *App_LCDClockMboxOS_FLAG_GRP *App_GreenLEDFlag其中,App_GreenLEDFlag包括3个标志位:#define Flg_GreenLED 0x0001#define Flg-B
11、lueLED 0x0002#define Flg_Buzzer 0x000433 软件系统流程图设计软件系统流程图如图4所示。体感遥控器经上电初始化后,首先采集电池电压,然后通过邮箱*App_ADMbox将采集得到的电量值发送给12864液晶显示模块进行显示,若电量过低,则使标志位Flg_Buzzer置位,即通过蜂鸣器进行报警。并且,通过DMA把iNEMO惯性导航模块的数据接收到USART1,判断校验位是否正确,若不正确则重新配置DMA,重新接收数据;若正确则将接收到的数据转化为控制指令,通过nRF24L01无线模块发送给机器人。同时通过邮箱*App-LCDCmdMbox将指令发送给App_T
12、askLCD任务,在12864液晶显示模块显示当前发送的指令,并通过置位Flg_GreenLED点亮相应LED,以表示STM32F103C8T6与iNEMO模块通信正常;机器人本体接收到指令后,会给遥控器返回数据包,如果遥控器接收的数据错误标志位没有置位,则说明遥控器与机器人本体通信正常,通过邮箱*App_LCDDataMbox将机器人的状态信息发送给App_Tas kLCD任务,在12864液晶显示模块上显示机器人本体运动状态,同时通过置位Flg_BlueLED点亮相应LED,以表示遥控器与机器人本体通信正常。App_TaskClock任务通过邮箱*App_LCDClockMbox向App_
13、TaskLCD任务发送当前时间信息,并予以显示。体感遥控器软件系统开发环境为IAR EWARM54,COS-II版本为V286,STM32F103C8T6的调试工具为J-Link仿真器,STM32F103C8T6的固件库版本为V203。34 遥控器与机器人本体通信方案设计本设计采用严格的“一问一答”形式,即每发送一条指令都需要机器人本体返回一帧数据包。遥控器发送一条指令后,等待机器人本体返回的数据包,只有获得机器人本体返回的数据包后才可以继续发送指令包。如果机器人本体接收到错误指令(经校验错误的指令),置位通信错误标志位,上传数据包;同时,机器人本体报警,将机器人速度置0,接下来1 s内下位机
14、清除串口DMA,重新接收指令。如果遥控器收到的数据包中通信错误标志位置位,则重新配置nRF24L01无线模块,重新发送指令。4 性能测试对本文所描述的嵌入式机器人体感遥控器进行了相应的测试,测试环境分别为室内走廊环境和室外环境,测试结果如表2所列。测试结果表明,在室内走廊环境中,收发指令的正确率在95以上;在室外环境中,由于环境中可能存在多种干扰,并且距离在2030 m,正确率在90以上。由于遥控器底层软件具备一定容错能力,90以上的正确率完全满足要求。结语本文讨论了基于STM32F103C8T6的嵌入式服务机器人体感遥控器的设计与实现,并对具体的硬件电路和软件系统进行了详细的介绍。经过大量的实验证明,本体感遥控器具有操作简便、可操作性强、通信可靠、稳定性和人性化程度高等优点,在实验室服务机器人的实际应用中取得了良好的效果。