随着无人装备在工业领域的应用越来越多，自主避障的无人装备在工业生产中扮演着越来越重要的角色。本设计计划实现基于麦克纳姆轮驱动的激光雷达避障搭载平台（以下简称平台），平台作为一种具有自主导航和避障功能的智能移动设备，因其广泛的应用前景而备受关注。通过结合嵌入式系统、激光雷达传感器和自动控制等多个领域的知识，实现该平台的智能化、自主化和高效化；。
一、引言
该平台属于无人装备领域的一个重要分支，近年来在国内外均受到了广泛的关注和研究。STM32单片机因其高性能、低功耗和易于编程等优点，成为此类设计的理想选择。本设计的研究内容是基于STM32单片机的麦克纳姆轮驱动激光雷达避障搭载该平台设计，通过硬件和软件的设计与优化，实现该平台的自主导航和避障功能。
二、系统总体架构
硬件部分
核心控制器：选用STM32F103ZC系列微控制器，作为系统的核心控制器，该控制器集成了工作频率为72 MHz的高性能ARM® Cortex®-M3 32位RISC内核、高速嵌入式存储器（高达512 KB的Flash存储器和高达64 KB的SRAM存储器），以及大量连接至2条APB总线的增强型I/O和外设。所有器件均提供3个12位ADC、4个通用16位定时器、2个PWM定时器以及标准和高级通信接口：多达2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART、1个USB和1个CAN，大容量高性能系列的工作温度范围是–40至+105 °C，电源电压范围是2.0至3.6 V。该系列提供了一套全面的节能模式，可实现低功耗应用设计。这些特性使得STM32F103xC/D/E大容量高性能系列微控制器成为各种应用的理想之选，例如电机驱动、应用控制、医疗和手持式设备、PC和游戏外设、GPS搭载该平台、工业应用、PLC、逆变器、打印机、扫描仪、警报系统、视频电话和HVAC等，核心控制器通过SPI接口与电机模块交互信息，通过以太网接口与避障传感器交互3D点云文件等信息。
电机驱动模块：采用TMC6100电机驱动模块，TMC6100是一款用于PMSM伺服或BLDC电机的高功率栅极驱动器。它使用六个外部MOSFET来控制从瓦级到千瓦级的电机。软件控制的驱动强度支持系统内EME优化。可编程安全特性（如短路检测和过温阈值）以及用于诊断的SPI接口，助力实现稳健可靠的设计。使用TMC6100，只需非常少的外部元件即可构建具有全面保护和诊断功能的稳定可靠驱动器，为该平台提供足够的动力，同时确保电机在异常情况下安全运行。
避障传感器：采用禾赛XT16系列激光雷达传感器，用于实时检测该平台前方的障碍物距离和方位，并将获取到的点云信息传递给STM32单片机。激光雷达具有测量准确、响应速度快、抗干扰能力强等特点，能够在不同环境下稳定工作。
控制系统的供电全部来自锂电池。电压引入降压稳压模块生成稳定的直流电并通过分电板提供给单片机，OLED 屏幕。配置了分电板，将单片机的引脚引到电路板的输入端口，电路板的输出端口采用端子并于传感器连接，使得系统的稳定性提升。
麦克纳姆轮：麦克纳姆轮具有结构简单，小空间移动转向灵活的特点，通过电机驱动麦克纳姆轮实现该平台的全方位移动。
软件部分
操作系统：选择实时操作系统（RTOS）作为核心操作系统，以实现多任务管理和调度。
驱动程序：采用C语言编写，实现对硬件设备的控制和管理。
控制算法：采用先进的控制算法，如PID控制算法、模糊控制算法、导航控制等算法，以提高的性能。
避障算法：根据激光雷达传感器获取到的点云文件计算出距离信息，实时调整该平台
的速度和方向，以实现智能避障。
三、硬件设计
电路设计
根据系统需求，设计电源电路、电机驱动电路、传感器电路等。在电路设计过程中，充分考虑抗干扰性、功耗、稳定性等因素，以保证该平台的稳定性和可靠性。
硬件制作与组装
采用SMT工艺制作PCB板，将STM32微控制器、电机驱动模块、传感器模块等元器件焊接到PCB主板上。
按照设计要求进行组装，将行走电机、激光雷达、主板等各个模块连接起来，形成了完整的硬件系统。
四、软件设计
操作系统移植和驱动程序编写
将RTOS移植到微控制器上，并编写相应的驱动程序，以实现对硬件设备的控制和管理。
算法实现
编写控制算法的程序，包括PID控制和模糊控制、麦克纳姆轮控制、避障、路径导航规划等算法，通过编程实现这些算法在该平台上的应用。
编写避障算法的程序，根据激光雷达传感器检测到的距离信息，实时调整该平台的速度和方向。
程序调试和优化
在Keil开发环境中进行C语言编程，编写程序以控制激光雷达传感器和电机的工作通过调试和优化程序，确保该平台能够稳定、准确地执行指令。
五、实验测试
行进模式测试
通过遥控软件向该平台发送前进、后退、左转、右转指令，并观察该平台的运动状况。
自主避障模式测试
设置好激光雷达传感器的探测范围，观察该平台自主避障功能的实际表现。当该平台前方探测到障碍时，该平台会自动停止前进或转向避免碰撞。
工作模块测试：
本平台接口为标准化设计，可以搭载多种标准接口的多种工作模块，如电控多关节机器人、液压多关节机器人等工作模块，平台与工作模块支架除机械接口、电气接口外，通过以太网接口与工作模块完成信息交互。
六、结论
基于STM32的麦克纳姆轮驱动激光雷达避障该平台设计结合了嵌入式系统、传感器技术和自动控制等多个领域的知识。通过硬件和软件的设计与优化，实现了该平台的智能化、自主化和高效化。实验结果表明，该平台能够稳定、准确地执行指令，在自主避障方面表现出色。未来，随着传感器技术的不断进步和成本的降低，的性能将得到进一步提升，应用领域也将更加广泛。
此设计涵盖了主控设计、电机驱动设计、API接口适配等方面。具体实现时，还需要根据实际情况进行更详细深化的硬件选型、电路设计、软件编程和调试等工作。
