沥青路面裂缝检测机器人设计.docx

摘要针对我国城市化水平的迅猛发展和现代化程度的不断提高，机场跑道、城市道路、高速公路等出现老化，设计了一款基于STM32F103C8T6单片机为控制核心和基于跨平台计算机视觉库OPenCV的沥青路面裂缝检测机器人。本设计主要由机械结构设计，硬件电路设计，以及软件程序编程等部分组成。机械机构设计主要是履带式底盘设计。硬件电路部分主要分为主控芯片选择、直流电源选择、图传模块选择、电机驱动模块选择等部分；软件编程部分主要用软件STM32CubeMX和STM32CubeIDE对STM32单片机进行LL库编程、用PyCharm进行OPenCV图像处理开发以及用ArdUinO对ESP32CAM进行图像传输编程。通过对各机械零部件、电气元件的选型与设计，搭接出最终的沥青路面裂缝检测机器人，并完成实物调试。本设计是按照模块化的思想进行设计的，具有搭接简便、开发周期短、维护便捷等优点，对未来的裂缝检测机器人发展具有一定的参考价值。关键词：OpenCV;裂缝检测；检测机器人；STM32；ESP32-CAMDesignofAsphaltPavementCrackDetectionRobotAbstractAimingattherapiddevelopmentofChina'surbanizationlevelandtheincreasingmodernization,theagingofairportrunways,cityroadsandhighways,anasphaltpavementcrackdetectionrobotbasedonSTM32F103C8T6microcontrollerasthecontrolcoreandOpenCV,across-platformcomputervisionlibrary,isdesigned.Thedesignismainlycomposedofmechanicalstructuredesign,hardwarecircuitdesign,andsoftwareprogramprogramming.Themechanicalmechanismdesignismainlythecrawlerchassisdesign.Thehardwarecircuitpartismainlydividedintomaincontrolchipselection,DCpowersupplyselection,mapmoduleselection,motordrivemoduleselectionandotherparts;thesoftwareprogrammingpartmainlyusesthesoftwareSTM32CubeMXandSTM32CubeIDEforLLlibraryprogrammingofSTM32microcontroller,PyCharmforOpenCVimageprocessingdevelopmentandArduinoforESP32-CAMforimagetransferprogramming.Throughtheselectionanddesignofeachmechanicalcomponentandelectricalcomponent,thefinalasphaltpavementcrackdetectionrobotislappedandthephysicalcommissioningiscompleted.Thedesignisdesignedaccordingtothemodularizationidea,whichhastheadvantagesofeasylatching,shortdevelopmentcycle,andconvenientmaintenance,andhascertainreferencevalueforthefuturedevelopmentofcrackdetectionrobot.KeyWords：OpenCV;Crackdetection;Detectionrobot;STM32;ESP32-CAM目录摘要IAbstractII1绪论11.1 设计背景及意义11.2 国内外研究现状分析21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状51.3 本文主要内容62裂缝检测机器人总体方案设计82.1 设计目标82.2 机械系统方案82.3 电路系统方案82.4 软件程序方案102.4.1 单片机程序102.4.2 图像传输程序112.4.3 裂缝检测程序112.4.4 用户界面设计程序113机械系统设计123.1 履带底盘设计123.1.1 连接架设计123.1.2 侧板设计133.2 底盘驱动设计133.2.1 主动轮设计133.2.2 履带选型及设计133.2.3 驱动电机设计154电路系统设计174.1 主控芯片选择174.2 电源模块184.2.1 降压模块194.2.2 1.M2596SDC-DC降压模块194.2.3 MP1584EN降压模块204.3 电机驱动模块204.4 无线通信模块224.5 图像传输模块244.6 GPS模块245下位机软件设计255.1 软件开发环境简介255.2 引脚输出程序设计265.3 PWM输出程序设计275.4 串口接收及中断程序设计285.5 自定义函数设计296裂缝检测上位机软件设计326.1 图像获取326.2 图像预处理336.2.1 灰度化处理336.2.2 图像滤波346.2.3 Gamma变换356.2.4 形态学操作366.3 边缘检测366.3.1 高斯滤波366.3.2 SObeI算子376.3.3 非极大值抑制376.4 最大宽度计算386.5 用户界面设计396.5.1 视频及图像显示396.5.2 检测功能按钮406.5.3 机器人控制功能按钮407实物调试417.1 机器人底盘调试417.1.1 爬坡测试417.1.2 沥青路面测试427.2 图传调试427.2.1 图像发送测试427.2.2 图像接收测试43设计总结44致谢45参考文献46附录清单48附录A-元器件清单49附录B-电路原理图错误!未定义书签。附录C-主要程序代码错误!未定义书签。1绪论1.1 设计背景及意义智能机器人技术涉及仿生技术、机械制造技术、人工智能技术、计算机科学与技术、自动控制技术、智能感知技术、机电一体化以及材料学等多个研究领域，是一种多领域融合技术。机器人的价值在于改变从业人员的工作环境，代替人类做一些重复、繁琐和机械性的工作，解放那些原先被束缚住的劳动力，帮助人类更好地完成工作。第十三个五年规划期间，我国机器人产业在大家的共同奋斗之下蒸蒸日上，规模逐渐扩大，技术不断革新，应用层面不断扩展，龙头企业更加强壮。可是我国的机器人产业在技术的积累、产业基础、精密器件供应上与国外一些发达国家的先进技术水平相比仍然存在着诸多问题。在第十四个五年规划中指出，在2025年，我国的机器人技术将取得很大程度地进步，在高端设备制造上成为新高地。随着各行业科技的蓬勃发展，现如今机器人科技的研究也发展到了一个崭新的层次，需要更多的个人、企业与院校加入到这个领域来。机器人技术现如今是我国工业化和信息化进程中的核心技术和主要驱动力，现己应用于灾后救助、交通、医学健康、农业生产、海洋研究、社区服务、娱乐、航空和军事工业以及宇宙探测等领域，而其中又以检测机器人最为突出。近年来，互联网经济的高速发展推动了各地区之间的贸易往来，同时也对道路交通运输提出了新要求，尽管我国不断完善各级道路的建设与维护，但仍有部分服役期较长的道路出现了不同程度、不同类型的路面病害。无论是飞机的跑道、公路，还是普通的城市路面，这些路面的性能都是公共交通得以正常运转的必要条件。对于路面安全性能的维护与检修都是现今相当重要的工作，对航空安全、行车安全等起到至关重要的作用。路面病害是指由于车辆超载、自然环境条件、正常磨损老化等原因造成道路表面的可见缺陷，包括横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、龟裂裂缝、修补裂缝和坑洞等。当道路存在这些类型的轻微路面病害时，车辆行驶的稳定性会降低，从而影响行驶的舒适性，如果不及时进行道路养护，病害程度会随着时间的推移逐渐加重，当道路上出现较大路面病害时，会对道路交通参与者的人身安全造成严重威胁。因此及时对各级道路进行养护管理，这会在很大的程度上保证交通的正常运行以及能够很好地保护人民群众的生命和财产安全。通过检测的工作人员来对路面的安全性能进行检测和评估是目前比较常见的方法。目前主要依靠人工巡检的方式定期对路面进行巡查和养护，这种工作方式不仅效率较低而且成本较高，同时存在着巡查期间占用道路资源、难以保障工作人员安全和检测标准存在主观判断等缺陷。在我国公路里程不断增长、交通流量日益增大的背景下，继续使用该方法来进行路面检测很难满足现实需求，因此实现设计一款路面裂缝检测机器人是十分有必要的。当沥青路面存在比较明显的裂缝时，检测人员可以在室内便捷和高效地远距离实时控制机器人完成巡检，从而快速准确地检测出路面裂缝，对沥青路面损伤程度做出评估与表征。如此便可大大提高裂缝检测效率与检测准确度，能够快速有效地帮助工作人员完成路面裂缝检测。近年来，为了满足沥青路面裂缝检测工作的需求，国内外很多研究机构展开了大量的研究工作，研究了许多有效的检测算法，如传统的边缘检测、基于卷积神经网络的裂缝检测等。机器人技术目前在世界上属于研究热点，国内机器人研究起步相对国外较晚，更应该投入大量资源与精力进行研发，才能最终实现弯道超车。同时我国地广物博，基础建筑，如道路、桥梁众多，因而检测机器人需求较大，对我国来说研究和生产检测机器人更显得刻不容缓。本设计旨在设计一款沥青路面裂缝检测机器人，其主要功能是对路面裂缝进行检测，同时工作人员可以对其进行远程控制。其次要功能将会在搭建硬件并实现主要功能后进行不断完善与优化。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 国内研究现状1980年后期，我国开始了大量修建道路，许多道路修建完成并通车运营，道路维修与保护工作越来越繁重。我国的科研院校及相关技术公司开始自行研究路面破损图像检测系统，经过长期的不懈奋斗，虽然开始研发的时间较晚，但是发展速度较快，获得了不错的成果。最近几年，国内利用路面损坏检测系统来完成路面检测的趋势明显上升，并且已经投入商业使用。在该领域内比较突出的有长安大学的技术研究中心、中公高科养护科技股份有限公司、武汉武大卓越科技有限责任公司等数家。根据西部交通科技建设工程的研究，同时结合自身的研发设计，长安大学完成了CT-501A高速激光道路检测车的设计研发，如图1.1所示。该检测车和检测系统是通过面阵相机搭配激光手段来获取路面信息，在检测路面平滑程度、车轮痕迹、裂缝等方面有精准的检测效果。此外，多种照明系统能够为检测车检测时提供良好的光照环境，能够使得拍摄的道路图片清晰度更高，使检测结果更为准确，为路面损坏的自动检测提供了基础。图Ll基于中通客车车型的CT-501型多功能道路检测车中公高科养护科技股份有限公司也设计出了CiCS道路检测车，如图1.2所示。与CT-501A不同，该系统获取道路图片的方式是结构光照明和线阵相机。检测时，对于路面的检测宽度能够达到3.6m,同时其最高检测精度在Imm,检测车的检测速度在每小时100km。CiAS是该机构开发的软件，专门用于路面损坏的处理，该软件能够对裂纹、车轮痕迹、路面平整度等一系列指标进行自动处理。图1.2CiCS多功能检测车ZOYOM-RTm路面检测系统是由武汉武大卓越科技有限公司开发的，如图1.3所示。针对几何性非常明显的裂缝能够进行精准的识别，同时能够反映出裂缝的位置信息，可是在识别龟裂型裂缝时，识别的准确率不够高。图1.3ZOYoM-RTM智能检测系统这些年来，计算机视觉和图像处理技术都在不断地发展。我国的许多工作人员和科研机构将这些不断发展的新技术运用到路面的自动检测系统当中去，使得路面检测的技术越来越完善，精确度不断提高，适用范围越发广泛。其中，一些研究人员对怎样来提升道路裂缝图像的清晰度比较关注，其他的一些则对道路检测当中所使用的检测技术，即图像处理算法更为关注。王鑫等人提出了一种基于阈值的路面裂缝分割方法,使用K-means方法对图像进行预处理，根据裂缝与背景的灰度差异设定阈值进行分割,再通过形态学的膨胀和腐蚀操作增强分割效果。刘晟等人针对阴影路面提出了一种基于局部阈值的路面裂缝分割方法,通过直方图均衡化的方式增加路面图像对比度，并采用分数阶积分的方法对图像进行去噪，选择适当大小的滑动窗口对每个像素进行阈值分割和连通域分析，从而分割出路面裂缝。1.2.2 国外研究现状1970年后期，有部分国家把小型摄像机安装在车上，以此来获取道路的破损信息。道路在不断的建设，路面维护和检修的工作量也在不断加大，路面损坏的自动检测技术逐渐产生。就像加拿大的ROADWARE公司在上世界60年代末进行了路面数据采集的探索。由日本设计的KOmatSU系统，使用摄像机、信号处理装置、传感装置以及记录图片的设备来对路面的损坏数据进行采集，并且在检测的设备车上装设人工光源来提供光照条件。将路面破损数据采集后，将这些数据全部保存在磁带记录器里面，同时又按照两个步骤来进行对破损数据的图像处理，这两个步骤是并行处理的。第一个步骤是进行图像分割以及路面特征的提取，第二个步骤是实现图像的噪声点去除、子图像的融合以及复原。在当时的硬件技术条件下，该系统是最先进的代表。但是在对裂缝类别的判断上仍然无能为力。除此之外，该系统还具有一些问题，比如只能够在夜间进行检测，因为要控制光照条件，同时检测车的速度要低于IoKmhL这些都是该系统没有得到推广的原因。在这一时期，瑞士的学者们在上世纪九十年代中期设计了CREHc)S系统，他们的目的是要研发检测范围广、精度高的路面检测系统，以此弥足之前的一些不完善之处，比如在局部清晰度和实时处理技术上。该系统将采集到的路面信息存储下来，通过模拟方法分析得出道路破损情况，并能够对道路的破损进行类别的判断。该系统相比以往能够减短工作时长，在一定程度上提高了检测效率。可是系统所要求的路面环境比较高、路面状况条件要好。并且在进行检测的过程中不能做到全自动检测，需要操作人员来进行图像摄取以及处理分析，所以该系统仍然处于研究阶段。1990年末期，计算机视觉技术和摄影设备取得了很大的突破，CCD技术的进步尤为明显。因此,研发人员利用CCD技术来获取道路的图像信息获得了很大的进展。CCD相机抗冲击与震动能力强、噪声低、图像的畸变小。同时，对于所获取的路面图像信息可以直接通过采集卡来导入至计算机中进行存储或处理。电子元气件不断的发展，CCD相机的成本逐渐降低。因此，利用CCD相机和计算机视觉技术来实现道路破损检测的研究得到了很大的推广。“数字公路数据车”是由阿色州大学设计的路面裂缝检测系统。该系统可以进行实时路面检测，可以对路面裂缝的图像进行检测处理并且提供了系统实现工具。使用CCD相机来采集路面裂缝图片，相机被安设在检测车上。拍摄完成之后，利用GPS模块来对路面裂缝的位置进行确定，同时对于距离信息的获取是利用距离测量设备完成的。这些数据是通过双CPU的微型处理器采集的，采集完成后，这些数据被传输到一个计算机中进行实时的数据分析，该计算机拥有多个CPU,更适合完成大量计算。在该系统的帮助下，能够在比较快速和准确的情况下对路面的裂缝进行采集、检测以及对裂缝类型进行判定，裂缝图像的获取以及检测处理都在该系统中实现。但是由于数据量较大，需要利用强大的计算机来进行处理，对设备要求比较高。此外，美国ETC公司开发的PCES系统、IMS公司开发的PAVUE系统、英国WDM公司设计的路面裂纹检测车等都可以进行路面探测。在检测算法方面，AbdelQaderI等人针对混凝土桥梁裂缝检测问题，比较了SObeI算子、Canny算子、FOUrier变换和Haar小波变换四种检测方法的效果，得出结论，在裂缝检测中Haar小波变换是最有效的。MedinaR等人将GabOr滤波器进行改进，并设计出了一种路面裂缝检测方法，使用改良遗传算法设置滤波器参数，对图像的每个像素进行分类，从而实现了对于隧道混凝土裂缝的有效检测，并且可以不考虑裂缝方向，有效检测出任何方向上的裂缝。1.3 本文主要内容总体而言，就裂缝检测方面来说，多数检测的方法是通过将设备安装在汽车上进行检测，对于独立的检测机器人而言研究较少。当前，国内路面已逐渐步入养护时期，越来越多的维护工作将会来临，在今后的检测工作中当中，需要一种效率高、精确度高、适用范围广的路面检测手段。可仍然有部分需要更加深入解决的问题，特别是在检测路面的破损情况方面，基于图像的路面损坏检测和识别方法还需要进一步研究，特别是对于裂缝的长度、宽度以及深度进行表征。本课题的主要内容：(1)沥青路面裂缝检测机器人的机身总体设计：主要针对于履带式底盘的机械设计,以及各部分机构的零部件选型;(2)电控模块设计：主要集STM32单片机控制技术、ESP32-CAM图像传输技术、电机控制技术、远距离控制技术于一体，并且配备了远程控制技术。设计出一款能够进行远程控制、实时显示路面检测结果的机器人；(3)裂缝检测算法设计：通过OPenCV中的降噪、形态学操作、边缘检测等算法处理来自图传模块的路面图像，完成裂缝检测。(4)将所有零部件搭接完成，并连接好硬件电路后，对其实物调试。主要对履带式底盘的障碍通过能力，裂缝检测的精确度等调试。2裂缝检测机器人总体方案设计2.1 设计目标设计一种具备图像传输和远程控制功能的小型履带式机器人，并在电脑端利用OPenCV来对图像进行处理，完成裂缝检测。该机器人能够进行远程控制，工作人员可以在室内操纵机器人完成沥青路面的裂缝检测，提高检测的准确度与效率。该机器人采用差速驱动，利用两侧轮子旋转方向的不同来控制机器人的运动方向。2.2 机械系统方案常见机器人移动方法有很多种，包括履带、三轮、四轮驱动，考虑到检测的路况存在沙粒、石块、陡坡等复杂路况，因此使用履带式底盘更为合适，控制效果也更好。使用履带式底盘时检测机器人在运动过程中表现更加稳定，具备一定的越障能力和防滑能力。为加强车体结构强度，检测机器人车身材料选择了铝合金板。检测机器人可以使用的电机类型种类繁多，其中含有直流电机、交流电机、步进电机、伺服电机等，一般而言运用最多的是直流电机，直流电机的起动和调速特性优异,有着比较广的调速范围，有很强的过载能力，较大的转矩，并且易于进行控制。经市场调研，本设计最终采用直流电机作为检测机器人的驱动电机。2.3 电路系统方案设计嵌入式硬件时，首先要选择一款核心控制器，能够满足检测机器人各模块要求并留有一定余量。需要多方面综合考虑：接口数量、串口数量、ADC资源数量、定时器数量、价格、总线规格等。本设计中的检测机器人对串口和定时器有要求，同时又要满足价格较低，综合性能较好的32位单片机。经综合考虑本设计选用STM32F103系列单片机作为核心控制器。设计图传模块时，考虑体积和价格等因素，选择ESP32-CAM来实现实时图像的传输，其不仅可以完成无线图传，而且可以配合OPenCV完成图像处理，实现裂缝的识别与检测。设计降压模块时，由于考虑到该电路有两处都需要降压，因此选取LM2596SDGDC降压模块来进行12V至IOV的降压和MP1584EN降压模块来进行IOV至5V的降压。前者用于为TB6612FNG电机驱动模块提供驱动电压，后者用于为单片机和ESP32-CAM图传模块进行供电。设计无线通信模块时，考虑到传输距离较远、环境相对空旷且传输的数据量较少。LoRa模块使用简单、成本低、通信距离远、体积小。因此选择LORa模块来实现远距离无线通信，完成对机器人的远程控制。选用的直流电机型号为MG513,设计对应的电机驱动接口与电机驱动模块接口电路，便于使用单片机内置的定时器PWM输出口进行直流电机的驱动。TB6612FNG电机驱动模块来带动额定电压12V,额定功率4W,额定电流0.36A,堵转电流为3.2A的直流电机MG513o硬件框图如图2.1所示。图2.1硬件框图2.4软件程序方案图2.2主程序流程图2.4.1单片机程序本设计的电控程序通过STM32CubeMX来对单片机的引脚进行初始化，如图2.3s0*28ASTW2.CM1IW2.CH2RCJOSCJN RCJ0C.0UT,motog mocAiUSARTleRXUSARTl TX图2.3引脚功能配置图然后通过STM32CubeIDE,利用LL库来进行电控程序编写，电控程序主要包括三方面：第一方面是配置串口以及串口中断，当单片机收到来自LORa的数据信息时，触发串口中断，在串口中断程序里面来具体判断所接收到的数据，并执行相应的操作；第二方面则是通过定时器配置PWM输出来控制电机的转动速度；第三个方面是配置电机转向的引脚，通过对这些引脚的电平进行置高或置低来控制电机的转向，进而控制机器人的前进、后退、左转、右转等动作。2.4.2 图像传输程序图像传输程序是基于ArdUinO编写的，在图像采集及上传过程中，首先，OV2640摄像模块将采集的图像存储在PSRAM中，然后通过wifi.begin()函数启动ESP32的网络服务，初始化相机后再通过esp_camera_fb_get()函数拍摄图片，经hltp.begin()函数请求url、通过http.addHeader()函数请求头部信息，最后完成图像上传。2.4.3 裂缝检测程序裂缝检测程序是在PycharmIDE上基于OPenCV开源视觉库进行编写的，首先获取ESP32-CAM传输在网页上的视频流，然后利用OPenCV中的功能函数以及将参数进行适当的调节，从而完成裂缝的识别与检测。2.4.4 用户界面设计程序本设计的Ul界面是由QtDesigner.PyQt5构建的，本UI中设置了QLabel控件、按钮以及对应的槽函数，从而实现相应的视频显示、图片显示、检测结果显示以及机器人远程控制的功能，实现了工作人员远程控制机器人和进行路面裂缝检测。3机械系统设计3.1 履带底盘设计由于本路面裂缝识别机器人工作路况相对恶劣，路面可能存在沟壑、裂纹、坡度不一致以及存在凹凸不平的情况。一般的轮式底盘难以胜任此工作路况，故选用履带式底盘更为合适。它是轮式移动机构的拓展，履带可以增大机身对地面的受力面积从而降低压强，并且更容易穿过障碍物。本设计采用单节双履带式底盘，该结构的优点在于设计简单，驱动控制方便。由于本设计是在路面进行检测，不会出现上下楼梯的情况，故选用单节双履带式底盘更为合适。3.1.1 连接架设计连接架是整个机器人的基础构件，用于搭载整个电路系统、ESP32-CAM模块及与驱动电机和履带等部分结构进行连接。因此需要满足强度高，质量轻，耐腐蚀等诸多优点。图3.1连接架示意图根据上述要求，本设计主要采用铝合金作为连接架材料。铝合金使用范围广泛，被誉为最有前途的合金。铝金属在空气中氧化，形成致密的氧化膜，因此其有较强的抗腐蚀性，易于焊接。强度较高，特别是抗疲劳强度高。不仅如此，该合金易于加工，比较容易成形。3.1.2 侧板设计侧板用于固定主动轮、从动轮、承重轮和履带，是履带行走机构中必不可少的一部分，材质与连接架相同，均采用铝合金材料，通过L型连接件与连接架相连。图3.2侧板示意图侧板的全身开设通孔若干，分别用来固定驱动电机、主动轮、承重轮、L型连接架等零部件。3.2 底盘驱动设计本设计的底盘采用履带式底盘，履带将主动轮和其他滚轮进行包围，使得轮子都不直接接触地面，而是通过主动轮的转动，再来带动履带与地面发生相对运动，同时履带在地面上不断地向前架设，进而带动机器人进行移动。3.2.1 主动轮设计主动轮是将电动机的输出动力传递给履带，主要由齿圈或滚轮、轮毂及固定和连接件等组成。主动轮有齿圈式和滚轮式，采用齿圈式的较多。齿圈的齿形有凸面、平面和凹面三种。驱动轮与履带啮合的好坏，直接会导致整车运行过程中是否平稳。为保证履带的啮合孔可以顺利地进入和退出啮合，减少啮合时产生的冲击载荷，选择主动轮的齿形为凸性。3.2.2 履带选型及设计履带将整车的重量传递给地面，因此履带的面积越大，与地面接触的压强越小，但接触面积多大，也会导致履带过重，转向不便，易脱落等。由于检测时的路况会出现凹凸不平的地面以及散落在地的砂石，因此还要有一定的越障能力。现目前我国的履带设计标准仅适用于部分大型工程机械，因此针对本检测机器人的履带选型设计均采用经验公式。(1)履带的节距无。主要由车身重量所决定，与车子的重量呈正比例关系，根据经验公式如下：t0=(1517.5)(mm)(3.1)式中：G整车重量，kgO由于车声整体尺寸较小，以及为了增加运动的平稳性，适当降低履带节距。(2)履带板宽度瓦由工作条件所要求的平均接地比压进行决定，宽度与接地比成反比。宽度越大，接地比越小。根据履带设计要求，为了降低平均接地比，以及保证较小的转向阻力，一般参照公式为：b=(0.9-1.1)×209×G×IO-3(mm)(3.2)代入数据得：b=35mm0(3)履带轨距瓦其主要与履带板宽度有关，基本公式如下：B=(3.54.5)b(3.3)代入数据得，轨距为125mm。(4)履带的接地长度A。1.o1.07(3.4)代入数据得，接地长度为150mm。(5)履带接地长度校核。计算所需的LO应满足转向要求：1.OB2(3.5)式中：B履带轨距，mm；牵引附着系数，详见下表；f滚动阻力因数，详见下表；回转阻力因数，详见下表。针对不同的路况“牵引附着系数、滚动阻力因数、回转阻力因数”存在较大差异。通过查阅资料，选取5种典型路况，具体数据如表3.1所示：表3.1针对不同路况的各项系数路况牵引附着系数滚动阻力系数回转阻力系数铺砌道路0.60.80.060.64柔软沙路0.60.70.100.53泥泞道路0.50.60.10-0.150.27收割后草坪0.70.9结冰路面0.20.03-0.040.35以铺砌道路为例，将数据代入得,2(0.6-0.06)064150125(3.6)满足条件。(6)平均接地比P,即在重力作用下，单条履带对地面的压强，基本公式如下：PG(3.7)二国(kpa)式中：G整车重量，kg；B履带宽度，mm；1.0履带接地长度，mm。因此，根据上式可得，平均接地比P=O.OOO25kpa3.2.3 驱动电机设计为保证有足够的驱动力来应对凹凸的路面以及陡坡，需要选择出合适的驱动电机。在此选取MG513直流减速电机。该电机结构尺寸小，转矩较大，噪音低，电机实物如图3.3所示。BkQ>图3.3MG513直流减速电机电机的基本参数如表3.2所示:表3.2MG513直流减速电机基本参数表序号参数名称参数1额定功率4W2电机类型永磁有刷3堵转电流3.2A4堵转扭矩4.5kgcm5额定电流0.36A6额定扭矩1.0kgcm7减速前转速11OOOrpm8减速后转速366÷26rpm9减速比1:3010输出轴直径6mmD型偏心轴处M33"313o29OVDD 3 VSS PA13 PA12 PA11 PA10 3 PA9 PA8 PB15 3 P614 3 PB13 3 PB12U LLmd UOLBd uZBd UEd USA-4电路系统设计4.1 主控芯片选择本设计中选择STM32F103C8T6单片机为主控芯片，因为该芯片所占空间小、利于集成，耗电量低的同时性能强大。STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，其配置了工作频率为72MHZ的高性能ARMCorteXM332位RISC内核、高速嵌入式存储器（最高128字节的闪存和最高20k字节的SRAM）,以及连接到两条APB总线的大量增强型I/O和外设。STM32F103C8T6提供两个12位ADC、三个通用16位定时器和一个PWM定时器，以及标准和高级通信接口：三个串口、一个USB和一个CAN、最多两个12C和SPL此芯片功能完善可拓展性强，性价比高且完全满足本设计外设要求。具体引脚介绍如图4.1所示。AAddCOdddddVDDCPC13CPC14OSC32-INCPC15-OSC32_OUT匚PFOOSC-INCPF1-OSC_OUTCNRSTCVSSACVDDACPAOCPA1CPA2C图4.1STM32F103C8T6正面引脚图STM32F103C8T6单片机核心板实物如图4.2所示。PB10>PBl1、PAl1、PA12输出高低电平，为两个电机的转向控制引脚。PB6和PB7为定时器4的PWM输出控制端，可以对电机转动速度进行调节。PA9和PAlO分别为串口1的TX和RX引脚，负责接收来自LORa模块的数据。CngQQneSpn您叫EPraX3 RBIlBiO 81 80 A7 A6 A5 A4 A3 A2 Al AO C15CUC13 W图4.2STM32F103C8T6核心板实物图4.2 电源模块图4.3狮子600OmAh锂电池实物图因履带式底盘的动力来自直流减速电机，因此选择ILlV的直流电源。考虑底板空间大小、机器人重量以及续航能力，在此选择狮子品牌的6000mAh,放电倍率为40C的航模锂电池。具体实物如图4.3所示：电池具体参数见表4.1：表4.1狮子电池基本参数序号参数名称参数123456电压H.IV容量6000mAh尺寸155*46*3Omm重量约390g持续放电倍数40C电芯锂聚合物动力电芯4.3 降压模块4.3.1 本设计中的降压模块有两种，LM2596SDC-DC降压模块用于将12V电源降压至10V,MP1584EN降压模块用于将LM2596SDC-DC降压模块输出的IOV电压降至5V。4.3.2 1.M2596SDC-DC降压模块由于电源输出电压为12V左右，但TB6612电机驱动模块VM引脚的额定输入电压为IOV以内。因此，无法将电源输出端的正负极与电机驱动模块直接相连，需要对电源进行降压调节。在此选用LM2596SDC-DC降压模块，具体实物如图4.4所示：图4.4LM2596S5降压模块该模块具有高精度电位器，顺时针升压，逆时针降压，并且搭载0.1Uf的电容位于电路板两侧，对于除去高频噪声有明显作用。该模块具体参数见表4.2：表4.2LM2596S基本参数序号参数名称参数1输入电压3.240V2输出电压1.25-35V3输出电流3A（最大）4转换效率92%（最大）5输出纹波OOmV6开关频率65KHz7工作温度-45+85°C8尺寸大小43*21*14mm4.3.3 MP1584EN降压模块由于电源经过LM2596S降压模块之后电压降至10V,而STM32单片机、ESP32-CAM以及LoRa无线通信模块都需要5V供电，因此必须再加入IOV降至5V的降压模块来为上述器件供电。在此选取MPl584EN降压模块，具体实物如图4.5所示。图4.5MP1584EN降压模块该模块体积小，可以实现固定电压输出，能够长时间工作控制在1.8A以内。该模块具体参数见表4.3：表4.3MP1584EN基本参数序号参数名称参数1输入电压7V26V2输出电压5V3输出电流3A（最大）4转换效率96%（最高）5输出纹波OOmV6工作温度-40+85°C7尺寸大小22.3*17*4.2mm4.4 电机驱动模块根据前文计算，直流减速电机的型号为MG513,额定电压12V,额定功率4W,额定电流0.36A,堵转电流为3.2A。在此选取TB6612FNG电机驱动模块，具体实物如图4.6所示。图4.6 TB6612FNG电机驱动模块通过查阅相关数据手册，TB6612FNG驱动模块易于用户使用并且所占空间小，能够以1.2A的恒定电流对两个直流电机进行操纵，其最大输出电流为3.2A。相较于传统的L298N效率上提高很多，在额定范围内，芯片基本不会发烫。该模块共有16个引脚，VM接入IoV以内电源，其电压越大，电机转速越高。VCC接入5V电源，给模块供电。STBY控制模块工作状态，接单片机的引脚，单片机引脚置低时，电机全部清零；单片机引脚置高时，可以进行电机控制。通过AlN1、AlN2、BlN1、BIN2来控制两个电机的正反转。PWMA和PWMB接单片机的PWM输出引脚，用于控制电机的转动速度，电机转向控制引脚真值表如表4.4所示。AOKAO2和BOI、BO2是电机驱动的输出端，分别与两个直流电机相连接。表4.4电机转向控制引脚真值表电机A电机B机器人AINlAIN2转向BINlB1N2转向转向Olo-OlH 11停正反反正止转转转转11 11Oolol停正反正反止转转转转停前后左右止进退转转具体参数见表4.5：表4.5TB6612FNG直流电机驱动模块参数序号参数名称参数1驱动电压4.5-IOV2输出通道数2路3工作电流1.2A4峰值电流3.2A5控制电压3V6.5V6尺寸大小20.5*20.4mm4.5无线通信模块由于需要远程控制机器人，而一般的蓝牙模块虽然可以实现无线控制，但距离受限。在机器人工作状态中远程控制的距离达到上千米，在此选取LORa无线通信模块。其通信距离高达3Km,并且耗电量低、有较强的抗干扰能力，拥有实现功率消耗小以及传输距离远的优点。不仅如此，该模块配置与安装十分简便，容易上手。该模块与其他物联网无线模块相比，其成本更低，在无线通信领域有着更广阔的发展潜力。其使用效果远超过同类型的物联网无线模块。ATK-LORA-Oi无线串口模块因其体积小、功率低、功耗低、性能强、传输距离远等优点被广泛使用。该模块使用的是高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片，其工作频率为410MHZ441MHz,信道