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基于STM32F103C8T6的嵌入式服务机器人体感遥控器设计
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体感技术
STM32
遥控器
介绍一种以
ARM
为核心的嵌入式服务机器人体感遥控器的设计。硬件上，本遥控器采用具有ARM Cortex-M3内核的
STM32
F103C8T6作为核心处理器，选用ST公司的iNEMO惯性导航模块进行手部姿态的识别，同时还具有LCD显示模块、无线收发模块和
电源
模块；软件上，采用嵌入式操作系统μC／OS-II实现多任务的调度和外围设备的管理。经实验验证，本遥控器具有高稳定性、高实时性、高可靠性、低误码率等优点。
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（6）
h1654155275.5651
2019-7-3 09:14:54
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。
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。
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李亚祎
2019-7-3 09:15:09
1 系统功能要求及整体架构
1．1 基本功能要求
①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。
②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。
③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LCD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。
④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。
1．2 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姿态角运算系统，从而实现对姿态角的实时测量。
iNEMO惯性导航模块的基本原理
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μC／OS-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。
1 系统功能要求及整体架构
1．1 基本功能要求
①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。
②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。
③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LCD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。
④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。
1．2 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姿态角运算系统，从而实现对姿态角的实时测量。
iNEMO惯性导航模块的基本原理
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μC／OS-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。
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刘伟
2019-7-3 09:15:20
2 硬件电路设计
2．1 主控制模块电路
主控制器STM32F103C8T6芯片，工作频率高达72 MHz，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。
2．2 电源模块电路
本遥控器采用8．4 V锂电池供电，采用TL750M05C稳压芯片提供5 V电压，选用REG1117-3．3稳压芯片为系统提供3．3 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0Ω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后作为STM32F103C8T6采样输入。
2．3 无线通信模块及显示模块电路
无线通信模块采用2．4 GHz频段射频芯片nRF24L01作为无线数据收发芯片，工作于2．4～2．5GHz 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12．3 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（16×1 6点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM），具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I／O引脚，本文采用串行传输方式进行设计。
2 硬件电路设计
2．1 主控制模块电路
主控制器STM32F103C8T6芯片，工作频率高达72 MHz，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。
2．2 电源模块电路
本遥控器采用8．4 V锂电池供电，采用TL750M05C稳压芯片提供5 V电压，选用REG1117-3．3稳压芯片为系统提供3．3 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0Ω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后作为STM32F103C8T6采样输入。
2．3 无线通信模块及显示模块电路
无线通信模块采用2．4 GHz频段射频芯片nRF24L01作为无线数据收发芯片，工作于2．4～2．5GHz 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12．3 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（16×1 6点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM），具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I／O引脚，本文采用串行传输方式进行设计。
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蔡柱刚
2019-7-3 09:15:26
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μC／OS-II，借助于μC／OS-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。
3．1 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。
3．2 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。本操作系统共创建了8个消息邮箱和1个事件标志：
OS_EVENT *App_AHRSMbox
OS_EVENT *App_CommandMbox
OS_EVENT *App_DataMbox
OS_EVENT *App_ADMbox
OS_EVENT *App_LCDCmdMbox
OS_EVENT *App_LCDDataMbox
OS_EVENT *App_LCDADMbox
OS_EVENT *App_LCDClockMbox
OS_FLAG_GRP *App_GreenLEDFlag
其中，App_GreenLEDFlag包括3个标志位：
#define Flg_GreenLED 0x0001
#define Flg-BlueLED 0x0002
#define Flg_Buzzer 0x0004
3．3 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_TaskLCD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_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 EWARM5．4，μC／OS-II版本为V2．86，STM32F103C8T6的调试工具为J-Link仿真器，STM32F103C8T6的固件库版本为V2．0．3。
3．4 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。
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μC／OS-II，借助于μC／OS-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。
3．1 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。
3．2 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。本操作系统共创建了8个消息邮箱和1个事件标志：
OS_EVENT *App_AHRSMbox
OS_EVENT *App_CommandMbox
OS_EVENT *App_DataMbox
OS_EVENT *App_ADMbox
OS_EVENT *App_LCDCmdMbox
OS_EVENT *App_LCDDataMbox
OS_EVENT *App_LCDADMbox
OS_EVENT *App_LCDClockMbox
OS_FLAG_GRP *App_GreenLEDFlag
其中，App_GreenLEDFlag包括3个标志位：
#define Flg_GreenLED 0x0001
#define Flg-BlueLED 0x0002
#define Flg_Buzzer 0x0004
3．3 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_TaskLCD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_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 EWARM5．4，μC／OS-II版本为V2．86，STM32F103C8T6的调试工具为J-Link仿真器，STM32F103C8T6的固件库版本为V2．0．3。
3．4 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。
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张倩
2019-7-3 09:15:30
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20～30 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。
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20～30 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。
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连炜帆
2019-7-3 09:15:32
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。
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。
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