基于STM32的重力感應(yīng)無線智能遙控小車設(shè)計(jì)

0 引 言

隨著社會進(jìn)步，電子消費(fèi)產(chǎn)品的需求越來越高，遙控智 能車輛以及在智能化車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用到 自動化物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。目前，遙控智能車輛大多采用無線 傳輸方式，而無線傳輸逐漸取代有線傳輸不僅是因?yàn)椤盁o線”， 更因?yàn)樵诎惭b、增減節(jié)點(diǎn)方面都比有線方式方便、快捷，因此 得到了廣泛的應(yīng)用 [1]。 

本設(shè)計(jì)首先采集手持遙控端的傾角信息并進(jìn)行處理、生 成指令，然后無線發(fā)送給智能小車，賦予智能小車更靈活的 運(yùn)動狀態(tài)和更寬廣的運(yùn)動范圍。設(shè)計(jì)靈活，操作方便，控制 穩(wěn)定，制作成本低，可應(yīng)用于視線可觀察但人體涉及不到的區(qū) 域，可制作成高端智能玩具，或應(yīng)用于工業(yè)控制，與實(shí)際相結(jié) 合，有良好的現(xiàn)實(shí)意義和市場經(jīng)濟(jì)價值 [2]。 

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 

采用整體設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件主要由兩大 部分構(gòu)成 [3]，即以 NUCLEO-L053 為控制核心的手持遙控 端和以 STM32F103C8Tx 為控制核心的智能小車。手持遙控 端 是 以 ADXL345、OLED12864 與 nRF24L01 為 基 礎(chǔ) 的 檢 測傾角裝置，顯示參數(shù)裝置和無線發(fā)射裝置。采用的 MCU 為STM32L053R8T6，由 ADXL345 不斷檢測手持設(shè)備的姿 態(tài)，在 OLED上顯示傾角值，傳給 MCU。MCU 把處理好 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為小車動作指令，最后通過 nRF24L01 模塊發(fā)射給 小車。小車以 nRF24L01 和 L298N 為基礎(chǔ)，采用的 MCU 為 STM32F103C8Tx，通過 nRF24L01 模塊接收遙控設(shè)備發(fā)送的 數(shù)據(jù)包，然后把數(shù)據(jù)包傳給 MCU 進(jìn)行處理，MCU 把處理好 的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為相應(yīng)指令，由 STM32 兩路定時器通道產(chǎn)生兩 路 PWM 波控制電機(jī)驅(qū)動 L298N，從而實(shí)現(xiàn)對小車運(yùn)動狀態(tài) 的調(diào)整。并結(jié)合 NUCLEO-L053 板載獨(dú)立按鍵對 ADXL345 校準(zhǔn)和 OLED 再次初始化，從而增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、 功能性優(yōu)勢。

1.1 手持遙控端電路設(shè)計(jì) 

按照模塊化設(shè)計(jì)思想 [4]，手持遙控端主要由傾角傳感器 模塊 ADXL345、遙控端控制模塊 NUCLEO-L053、無線收發(fā) 模塊 nRF24L01、液晶顯示模塊 OLED12864、電源模塊等構(gòu) 成。傾角傳感器模塊 ADXL345 主要用于檢測手持遙控端的傾 角狀態(tài)，并將傾角信息傳給遙控端控制模塊 NUCLEO-L053 進(jìn)行處理，生成指令通過無線收發(fā)模塊 nRF24L01 發(fā)送給智 能小車。液晶顯示模塊 OLED12864 進(jìn)行角度、加速度等信息 顯示，電源模塊給各功能模塊供電，保證這些模塊可正常工作。 本設(shè)計(jì)引入卡爾曼濾波算法 [5] 對手持遙控端的狀態(tài)角度進(jìn)行 優(yōu)化，能夠有效減少輸出信號的毛刺波動，避免小車運(yùn)行過 程中頻繁出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，從而讓小車的行駛更平滑。手持遙 控端設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

傾角傳感器模塊使用 ADI 公司生產(chǎn)的基于 iMEMS 技術(shù) 的 3 軸、數(shù)字輸出傾角傳感器 ADXL345[6]。該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)I2C 或 SPI 數(shù)字接口及高分辨率等特征，自帶 32 級 FIFO 存儲，是目前廣泛使用的數(shù)字傾角傳感器。傾角傳感器產(chǎn)生經(jīng) 過內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換電路后輸出的數(shù)字信號，計(jì)算導(dǎo)出加速度信息。 在具體工作時，傾角傳感器會因微小振動產(chǎn)生噪聲，此時需要 卡爾曼濾波與加速度計(jì)相互作用，調(diào)整參數(shù)將誤差降到最小。 

卡爾曼濾波（Kalman Filtering）是一種利用線性系統(tǒng)狀 態(tài)方程，通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu) 估計(jì)的算法。在本設(shè)計(jì)中，主要對角度信息進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，分 為如下 4 步： 

（1）根據(jù) k－1 時刻的最優(yōu)角度值及偏差預(yù)估 k 時刻的角 度值（估計(jì)值）； 

（2）根據(jù) k－1 時刻的最優(yōu)角度值偏差與 k 時刻的估計(jì)值 偏差得到 k 時刻估計(jì)值的高斯白噪聲； 

（3）根據(jù) k 時刻測量值與估計(jì)值的協(xié)方差判定權(quán)重大小， 得到最優(yōu)角度值 ； 

（4）根據(jù) k 時刻的最優(yōu)角度值及偏差預(yù)估 k+1 時刻的角 度值（估計(jì)值）。通過循環(huán)迭代就可以得到最優(yōu)的狀態(tài)角度估 計(jì)值。

NUCLEO-L053 為 ST 推出的一種基于 Cortex-M0+ 內(nèi)核 的遙控端控制模塊 [7]，其 CPU 最高系統(tǒng)時鐘可達(dá) 32 MHz， 可充分滿足本設(shè)計(jì)所用的模塊時鐘頻率 ；內(nèi)含 64 KB Flash 和 8 KB RAM，可提供足夠大的堆?？臻g，滿足復(fù)雜程序；具有 本設(shè)計(jì)所需的 I2C、SPI、USB 全速接口，提供 MCU 和模塊 間高速的通信方式 ；板載獨(dú)立按鍵和 LED，可供用戶自定義 使用。

無線收發(fā)模 塊 nRF24L01[8] 工作 在 2.4 G 的全球開放 免許可 ISM 頻段，GFSK 調(diào)制，工作速率高達(dá) 2 Mb/s 且抗 干擾能力強(qiáng)，擁有多達(dá) 125 個可選頻道，可以滿足多點(diǎn)通信 和調(diào)頻通信的需求。采用 SPI 方式進(jìn)行手持遙控端無線收 發(fā)模塊 nRF24L01 與控制模塊 NUCLEO-L053 之間的連接。 ADXL345 與控制模塊的連接如圖 2 所示。

1.2 智能小車電路設(shè)計(jì) 

智能小車主要由無線收發(fā)模塊 nRF24L01，小車控制模 塊 STM32F103C8Tx，電機(jī)驅(qū)動模塊 L298N，電源模塊等組成。 無線收發(fā)模塊接收手持遙控端發(fā)出的控制指令，傳送給小車 控制模塊進(jìn)行處理，由 STM32F103C8Tx 的定時器 4 產(chǎn)生對 應(yīng)的兩路 PWM 波，調(diào)節(jié) L298N 驅(qū)動兩臺直流電機(jī)完成對應(yīng) 動作。智能小車的設(shè)計(jì)框圖如圖 3 所示。

STM32F103C8Tx 是目前應(yīng)用非常廣泛的一款 ARM 芯片， 采用 Cortex-M3 內(nèi)核，擁有 16 KB ～1 MB Flash 存儲，高達(dá) 72 MHz 的 CPU 運(yùn)行速率，多種控制外設(shè)，USB 全速接口和 CAN 等。在本設(shè)計(jì)中用來處理 nRF24L01 接收的數(shù)據(jù)包、控 制 L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊等。 

電機(jī)驅(qū)動使用 L298N 驅(qū)動兩臺直流電機(jī) [9]。此款芯片具 有工作電壓高，輸出電流大等特點(diǎn)，額定功率為 25 W。本設(shè) 計(jì)電機(jī)驅(qū)動使用 6 節(jié) AA 電池，輸入電壓為 9.5 V，可直接驅(qū) 動兩臺電機(jī)。通過引腳 A，B 輸入定時器 4 產(chǎn)生的兩路 PWM 信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。L298N 模塊驅(qū)動電路如圖 4 所示。

為保證小車的運(yùn)行速度，無需進(jìn)行調(diào)速，全速行駛，加 在 L298N 驅(qū)動上的電壓為 6 ～12 V，而 STM32 需要的最大 電壓為 3.3 V，為了節(jié)省資源，減少電源模塊，需要降壓。選 用 AMS1117 芯片降壓 [10]。電源模塊降壓電路如圖 5 所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)由兩大部分組成，即手持遙控端軟 件程序和智能小車軟件程序。手持遙控端軟件程序首先上電 進(jìn)行初始化，主要是 ADXL345 模塊初始化，然后系統(tǒng)正常工 作。ADXL345 模塊不斷檢測傾斜角度的改變，控制模塊對傾 角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成傾角角度， 并進(jìn)行卡爾曼濾波，判斷傾斜角度是否超出閾值，若超過則 發(fā)送小車運(yùn)動指令。智能小車軟件程序接收手持遙控端的指令進(jìn)行處理之后驅(qū)動小車，接收端對接收到的指令進(jìn)行判斷， 控制小車作出前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動作。軟件程序流程如圖 6 所示。

完成軟硬件設(shè)計(jì)之后就開始對本設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)整體測試 工作。通過改變手持遙控端的傾角信息，可以在 OLED上正 常顯示傳感器姿態(tài)信息，無線收發(fā)裝置可以正常收發(fā)指令， 控制智能小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動狀態(tài)。手持 遙控端和智能小車的實(shí)物圖如圖 7 所示。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用傾角信息采集模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)了 一種重力感應(yīng)無線智能遙控小車，并重點(diǎn)介紹了手持遙控端 與智能小車的硬件電路與軟件程序設(shè)計(jì)。手持遙控端采集傾 角信息，經(jīng)卡爾曼濾波處理，控制模塊發(fā)出指令，通過無線 方式控制智能小車完成相應(yīng)動作。經(jīng)測試，所設(shè)計(jì)的重力感 應(yīng)無線智能遙控小車操作靈活，使用方便，且具有較高的穩(wěn) 定性與廣闊的應(yīng)用前景。