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1、基于MEMS技术的移动机器人方位角速度的测量院 系自动化学院专 业测控技术与仪器班 级学 号姓 名指导教师负责教师沈阳航空航天大学2010年6月沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘 要微型移动机器人控制领域，嵌入式系统有着广泛应用；移动速度是否稳定直接决定机器人控制效果的好坏。本文主要设计了一种基于嵌入式系统的微型移动机器人方位角速度的测量的数据采集系统。以轮式移动机器人为平台进行方案设计，过程设计以及成果演示。本文设计的控制系统由硬件和软件两部分构成，硬件主要由STM32F102VE处理器和LY503ALH陀螺仪构成，实现对微型移动机器人行走角速度的实时测量。软件部分是通过基于MDK环境的C语
2、言开发平台上进行设计。实验已实现微型机器人角速度测量，最终通过了硬件测试平台对程序进行的测试。该设计的目的就是通过STM32处理器获取陀螺仪的测量数据，精确达到LY503ALH给出的技术指标。结果表明，数据测量准确，达到了技术指标的要求。关键词：微型移动机器人；STM32处理器；LY503陀螺仪；MDK编译环境MEMS-based mobile robot azimuth velocity measurement AbstractIn the field of micro mobile robot control, embedded systems are widely applied. Sp
3、eed directly determines the stability of the robots performance. In this thesis, the data acquisition system of azimuth angular velocity is designed based on STM32 processor and LY503ALH MEMS gyroscope. Process design and the results of the design are all based on the wheeled mobile robot platform.
4、The system has two parts: one is hardware and another is software. The data acquisition system is to realize the real-time measurement of the angular velocity. The software is designed base on C language in the development platform MDK. Angular velocity measurement has been realized by experiments.
5、Finally, program is passed to the test of the hardware platform. The design objective is to get datas measured by LY503ALH, through STM32 processor. The results show that the system can meet the desired requirement. Key words: STM32; LY503 gyroscope; embedded systems; MDK; CC2431; C language 目 录1 绪
6、论11.1 课题背景11.2 研究现状21.3 课题任务及要求31.4 课题内容及安排41.5 STM32系列控制器的简介41.5.1 STM32微控制器的主要优点41.5.2 存储器和总线的结构51.5.3 电源控制61.5.4 复位和时钟控制71.5.5 通用I/O和复用I/O71.5.6 中断和事件81.5.7 DMA控制器91.5.8 实时时钟(RTC)101.5.9 内部集成电路接口111.5.10 串行外设接口（SPI）121.5.11 模/数转换器（ADC）132 总体方案设计162.1 硬件方案设计162.2 软件方案设计173 硬件设计203.1 STM32主控制单元203.
7、2 陀螺仪传感器LY503213.3 复位电路的制作223.4 时钟电路的制作234软件设计244.1 固件库的介绍244.2 软件的总体设计254.3 时钟初始化子程序264.4 I/O口初始化子程序284.5 中断设置子程序294.6 STM32的A/D转换子程序294.7 CC2431的A/D转换子程序314.8 MDK软件介绍335系统调试345.1 调试方案345.1. 1 硬件调试方案345.1.2 软件调试方案355.2 故障调试及解决方法365.3 联调结果37结 论38社会经济效益分析39参考文献40致 谢41附录I 程序清单42附录 元器件清单54I1 绪 论随着时代的进步
8、，微型移动机器人的发展日益走向成熟，机器人的应用越来越广泛。ARM在嵌入式应用领域取得了巨大的成功。从1985年的第一个ARM1原型诞生至今，已经有几十亿个ARM处理器被销售到了世界各地。ARM的成功是建立在一个简单而又强大的原始设计之上的，随着技术的不断进步，这个设计也在不断地改进。ARM内核处理器并不是单一的，而是遵循相同的设计理念，使用相似指令集架构的一个内核处理器系列。每个ARM处理器都有一个特定的指令集构架（ISA），而一个ISA版本又可以由多个处理器实现。ISA随着嵌入式市场的需求而发展，至今已经有多个版本。ARM公司规划该发展过程，使得在较早的构架版本上编写的代码也可以在后继版本
9、上执行。Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少，中断延迟小，调试容易等特点。它是为功耗和价格敏感的应用领域而专门设计开发的，具有较高性能的处理器，应用范围可以从低端微控制器到复杂的SoC。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能，低功耗，实时应用，具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的特点。STM32系列给MCU用户带来了前所未有的自由空间，提供了新全德32位产品选项，结合了性能高，实时，低功耗，低电压等特点，同时保持了高集成度和易于开发的优势。1.1课题背景微型机器人还处于实验室理论探索时期, 离实用
10、化还有相当的距离。还存在许多关键的技术没有得到解决, 这些问题的解决过程中同时会带动许多相关学科的发展。只有当这些问题解决以后, 微型机器人的实用化才会成为可能。将微型机器人技术应用到国民经济建设发展影响较大的领域。现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。本题目是设计关于微型移动机器人方位角速度的测量系统，它针对的使用人群是工业现场的工程技术人员和航空领域的科研人员，具有设备小巧，携带方便，精度高，操作简单，维护方便等优点。1.2研究现状微型机器人
11、是微电子机械系统的一个重要分支, 由于它能进入人类和宏观机器人所不及的狭小空间内作业, 近几十年来受到了广泛的关注。本文首先给出了近年来国内外出现的几种微型机器人, 在分析了其特点和性能的基础上, 讨论了目前微型机器人研究中所遇到的几个关键问题, 并且指出了这些领域未来一段时间内的主要研究和发展方向。近年来, 采用MEMS 技术的微型卫星、微型飞行器和进入狭窄空间的微机器人展示了诱人的应用前景和军民两用的战略意义。因此, 作为微机电系统技术发展方向之一的基于精密机械加工微型机器人技术研究已成为国际上的一个热点, 这方面的研究不仅有强大的市场推动, 而且有众多研究机构的参与。以日本为代表的许多国
12、家在这方面开展了大量研究, 重点是发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。目前国内对微型机器人的研究主要集中在三个领域：(1) 面向煤气、化工、发电设备细小管道探测的微型机器人。(2) 针对人体、进入肠道的无创诊疗微型机器人。(3) 面向复杂机械系统非拆卸检修的微型机器人。目前在世界范围内各国科研人员主要研制以下几种：(1) 微型管道机器人微型管道机器人是基于狭小空间内的应用背景提出的, 其环境特点是在狭小的管状通道或缝隙行走进行检测, 维修等作业。由于与常规条件下管内作业环境有明显不同, 其行走方式及结构原理与常规管道机器人也不同, 因此按照常规技术手段对管道机器
13、人按比例缩小是不可行的。有鉴于此, 微型管道机器人的行走方式应另辟蹊径。近年来随着微电子机械技术的发展和晶体电效应和超磁致伸缩材料磁- 机耦合技术应用的发展, 使新型微驱动器的出现和应用成为现实。微驱动器的研究成果已成为微管道机器人的重要发展基础。(2) 微型医疗机器人的发展近几年来, 医疗机器人技术的研究与应用开发进展很快, 微型医疗机器人是其中最有发展前途的应用领域, 据日本科学技术政策研究所预测, 到2017 年医疗领域使用微型机器和机器人的手术将超过全部医疗手术的一半。因此日本制定了采用“机器人外科医生”的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。(3)
14、 特殊作业微型机器人的发展除了上述提到的微型管道机器人和无创伤微型医疗机器人以外, 国内外一些科研工作者广泛开展了进行特殊作业微型机器人的研究。这种微型机器人配备相应的传感器和作业装置, 在军事和民用方面具有非常好的发展前景。1.3课题任务及要求在微型移动机器人设计等领域，嵌入式系统有着广泛应用；移动速度是否稳定直接决定机器人的好坏。本次课设主要研究一种基于嵌入式系统的微型移动机器人方位角速度的测量，以轮式移动机器人为平台进行方案设计、过程设计以及成果演示。本次设计为团体设计，本文主要设计机器人角速度测量系统，设计由硬件和软件两部分构成，采用STM32F102VE处理器和LY503ALH陀螺，
15、实现对微型移动机器人行走角速度的实时测量。软件部分设计在基于C语言开发平台的MDK编辑环境下进行。本次的毕业设计的目标是实现微型机器人角速度测量，最终通过硬件测试平台对程序进行测试。该设计的目的就是通过STM32处理器获取测量数据，精确达到LY503ALH给出的技术指标，为以后的实际工作奠定一定的理论与实践基础。本系统主要以STM32为核心，对角速度的测量主要是利用LY503ALH陀螺仪，先采集外部信号，然后通过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号，并将测量到的数据传输给STM32，STM32对采集到的角速度的参数进行处理并作出相应的判断，然后对小车进行控制。本次基于STM32微型移动机器人方位角速度的测量的毕业设计，应达到以下要求：(1) 收集STM32资料。(2) 熟悉科研课题的环境及毕业设计的具体要求。(3) 阅读主要参考文献，收集有关资料。(4) 学习STM32芯片及MDK编程环境。(5) 学习角速度传感器LY503的技术资料。(6) 设计软件编程。(7) 误差分析，提高测量的可靠性和精度。1.4课题内容及安排本文对
