翔宇 顧光榮 劉海宇 陳隆基

摘 要：互聯(lián)網(wǎng)浪潮的推動(dòng)下，安防等問(wèn)題得到了人們的重視，為了減輕巡檢的人力和財(cái)力的成本，從而為工廠等提供安全與便利，從而推動(dòng)和諧社會(huì)建設(shè)。本文詳細(xì)介紹了基于STM32F1的智能巡航機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： STM32;機(jī)器人;巡航

引言

從2013年德國(guó)提出工業(yè)4.0開(kāi)始，機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展促使工業(yè)智能化快速實(shí)現(xiàn)。而“人機(jī)協(xié)同”是下一步工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)亟待解決的問(wèn)題，目前的工業(yè)機(jī)器人移動(dòng)能力不夠完善，操作方法不夠靈活，自主化程度也不高[1]。

基于以上在機(jī)器人領(lǐng)域出現(xiàn)的新情況和遇到的新問(wèn)題，本文基于STM32F1的巡航機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究進(jìn)行闡述。輪式機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主移動(dòng)是指在無(wú)人操作的特定環(huán)境中，能夠完成一系列特定的事件，通過(guò)機(jī)器人自身搭載的控制系統(tǒng)，并應(yīng)用環(huán)境感知技術(shù)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)信息的處理，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主決策、獨(dú)立執(zhí)行，要求能偶躲避各種隨機(jī)障礙、規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)[2]。

一、巡航機(jī)器人的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的巡航機(jī)器人主要運(yùn)用于工廠車間、教學(xué)樓、倉(cāng)庫(kù)等重視安全保障的場(chǎng)所。該機(jī)器人以輪式機(jī)器人為主體，主要組成部分有運(yùn)動(dòng)部分、控制部分、檢測(cè)部分、信息傳輸部分和電源管理部分。其中運(yùn)動(dòng)部分由機(jī)器人底盤、直流電機(jī)、橡膠車輪組成?？刂撇糠钟蒘TM32單片機(jī)作為微處理器，控制各個(gè)部分的協(xié)調(diào)工作。檢測(cè)部分由攝像頭和超聲波探測(cè)器組成，主要用于循跡、躲避障礙物、識(shí)別障礙物。信息傳輸部分采用WIFI無(wú)線模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，及時(shí)反映機(jī)器人的狀態(tài)以及巡航情況。通過(guò)控制部分將整個(gè)系統(tǒng)緊密結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。它可以幫助人們自動(dòng)巡檢辦公樓或者其他需要安全保障措施的場(chǎng)所，按照程序設(shè)計(jì)的規(guī)定，對(duì)指定的區(qū)域進(jìn)行定時(shí)巡檢[3]。

二、運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)底板采用鈑金制作而成，具備良好的可靠性。控制芯片采用STM32F103ZET6。該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，主頻最高可達(dá)72Mhz，擁有豐富的外部接口，多個(gè)基本和高級(jí)定時(shí)器。整個(gè)運(yùn)動(dòng)有四個(gè)直流電機(jī)完成。直流電機(jī)具備易于控制、成本低等多個(gè)有點(diǎn)。采用四個(gè)直流電機(jī)可以充分提高輪式機(jī)器人的靈活性，從而應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)合。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常見(jiàn)的H橋，這種驅(qū)動(dòng)方式具有控制簡(jiǎn)單，邏輯清晰，效率高等優(yōu)點(diǎn)。其中控制算法采用比例積分微分算法，即PID算法。通過(guò)PID閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的魯棒性，能夠使得系統(tǒng)的控制更加具有穩(wěn)定性。

三、循跡部分設(shè)計(jì)

巡航機(jī)器人能夠完成既定的巡航任務(wù)，需要良好的循跡功能作為保障。該巡航機(jī)器人的循跡采用攝像頭循跡。通過(guò)綜合考慮多種方案，本文提出的巡航機(jī)器人采用OpenMV。OpenMV采用Python編程，Python語(yǔ)言具有很強(qiáng)的移植性。這種模塊具備豐富的可調(diào)用庫(kù)，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。通過(guò)OpenMV抓取有效的圖像信息，分析前進(jìn)過(guò)程中的狀況，將路況上傳給處理器，由處理器做出判斷。根據(jù)程序設(shè)計(jì)的邏輯完成既定的動(dòng)作。針對(duì)不同的路況，論事機(jī)器人采取不同的處理方案，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制的目標(biāo)。

四、檢測(cè)及信息傳輸部分設(shè)計(jì)

在人類的身體結(jié)構(gòu)中，眼睛可以使我們非常方便的獲取外界環(huán)境的信息，然后把信息及時(shí)地傳輸?shù)酱竽X，并對(duì)外界環(huán)境信息的變化作出相應(yīng)的處理。對(duì)于巡航機(jī)器人來(lái)說(shuō)，避障模塊之于巡航機(jī)器人，就像眼睛之于人類。避障模塊可以采集外部的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后把所采集的數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器模塊，從而實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。避障功能主要依托于超聲波傳感器來(lái)完成。超聲波傳感器具有測(cè)量精度高，成本低，易于維護(hù)和替換的優(yōu)點(diǎn)。故采用HC-SR04超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)避障。避障功能能夠讓巡航機(jī)器人在安全穩(wěn)定的狀況下工作，從而提高機(jī)器人的使用壽命。除此以外，通過(guò)四個(gè)超聲波模塊，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，這一套室內(nèi)定位技術(shù)可以幫助巡航機(jī)器人記錄歷史巡航軌跡、明確自身在環(huán)境中的位置。

信息傳輸設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)，主要由WIFI模塊完成，本文提出的機(jī)器人采用ESP8266作為傳輸模塊，這種模塊廣泛適用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的啟發(fā)，由OpenMV將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給ESP8266，再經(jīng)過(guò)ESP8266傳輸給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了巡檢工作的靈活性。

五、電源管理部分

本系統(tǒng)采用鋰電池供電，通過(guò)電源管理芯片，將電壓分為三個(gè)等級(jí)，分別給電機(jī)、傳感器、處理器進(jìn)行供電，從而達(dá)到電源效率最優(yōu)的目標(biāo)，為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供保障。

六、軟硬件設(shè)計(jì)及仿真

硬件設(shè)計(jì)部分采用AltiumDesigner軟件繪制硬件電路板以及各個(gè)模塊的接口電路。硬件電路板主要包括了主控芯片部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電源管理部分。采用AutoCAD繪制巡航機(jī)器人的底板，使機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

軟件編程采用Keil軟件來(lái)完成，利用C語(yǔ)言來(lái)配置STM32的各個(gè)寄存器，合理的設(shè)置控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)程序控制，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)巡航的功能。

七、結(jié)論

本控制系統(tǒng)以STM32作為控制芯片，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，充分結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用WIFI無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)視，利用超聲波定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主移動(dòng)。為巡航機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考，今后在此巡航機(jī)器人的基礎(chǔ)上，再加入電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)，能夠使此智能巡航機(jī)器人更加自主、更加精確、更加智能地為人類服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈林成，徐昕，朱華勇，等。移動(dòng)機(jī)器人自主控制技術(shù)理論與技術(shù)[M].北京;科學(xué)出版社，2011.

[2]宋永端，李丹勇，蔡文川.移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器自主化技術(shù)[M].北京;機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[3]石曉木 一種輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.