基于STM32的重力感應無線智能遙控小車設計

引言

隨著社會進步，電子消費產(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上開發(fā)出來的產(chǎn)品已廣泛應用到自動化物流運輸?shù)阮I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為“無線”，更因為在安裝、增減節(jié)點方面都比有線方式方便、快捷，因此得到了廣泛的應用。

本設計首先采集手持遙控端的傾角信息并進行處理、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動狀態(tài)和更寬廣的運動范圍。設計靈活，操作方便，控制穩(wěn)定，制作成本低，可應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，或應用于工業(yè)控制，與實際相結合，有良好的現(xiàn)實意義和市場經(jīng)濟價值。

1、系統(tǒng)硬件電路設計

采用整體設計的方法進行設計，系統(tǒng)硬件主要由兩大部分構成，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，采用的MCU為STM32F103C8Tx，通過nRF24L01模塊接收遙控設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，然后把數(shù)據(jù)包傳給MCU進行處理，MCU把處理好的數(shù)據(jù)包轉換為相應指令，由STM32兩路定時器通道產(chǎn)生兩路PWM波控制電機驅動L298N，從而實現(xiàn)對小車運動狀態(tài)的調整。并結合NUCLEO-L053板載獨立按鍵對ADXL345校準和OLED再次初始化，從而增強產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、功能性優(yōu)勢。

1.1、手持遙控端電路設計

按照模塊化設計思想，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。本設計引入卡爾曼濾波算法對手持遙控端的狀態(tài)角度進行優(yōu)化，能夠有效減少輸出信號的毛刺波動，避免小車運行過程中頻繁出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，從而讓小車的行駛更平滑。手持遙控端設計框圖如圖1所示。

圖1 手持遙控端設計框圖

傾角傳感器模塊使用ADI公司生產(chǎn)的基于iMEMS技術的3軸、數(shù)字輸出傾角傳感器ADXL345。該模塊具有標準的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)過內部AD轉換電路后輸出的數(shù)字信號，計算導出加速度信息。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相互作用，調整參數(shù)將誤差降到最小。

卡爾曼濾波（KalmanFiltering）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)進行最優(yōu)估計的算法。在本設計中，主要對角度信息進行最優(yōu)估計，分為如下4步：

（1）根據(jù)k－1時刻的最優(yōu)角度值及偏差預估k時刻的角度值（估計值）；

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

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

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

NUCLEO-L053為ST推出的一種基于Cortex-M0+內核的遙控端控制模塊，其CPU最高系統(tǒng)時鐘可達32MHz，可充分滿足本設計所用的模塊時鐘頻率；內含64KBFlash和8KBRAM，可提供足夠大的堆棧空間，滿足復雜程序；具有本設計所需的I2C、SPI、USB全速接口，提供MCU和模塊間高速的通信方式；板載獨立按鍵和LED，可供用戶自定義使用。