摘要：在智慧校園的大環(huán)境下，文章設計了一款基于GPS導航技術的自動巡邏校園機器人。巡邏機器人以STM32為主控芯片，由電源電路、GPS模塊、陀螺儀模塊、數據存儲模塊、電機舵機控制電路組成。本設計首先將GPS模塊獲取的經緯度數據存儲在數據存儲模塊中，然后使用陀螺儀模塊得到航向角作為GPS的輔助，獲取實時航向信息，最終得出巡邏機器人的運動軌跡。文章經實驗驗證滿足設計要求，實現了機器人自動巡邏的功能。

關鍵詞：STM32；GPS；校園巡邏機器人

中圖分類號：TH16;TP242文獻標志碼：A

0 引言

高校智慧校園的飛速發(fā)展，推動了信息技術與教育教學的深度融合，提升了高等學校信息化建設與應用的水平［1-2］。校園巡邏機器人具有自主性、地址感知能力和視覺感知技術等高科技特點，為校園安保帶來了更加智能化、高效化、低成本的解決方案，也成為未來校園安保的新方向。因此，校園巡邏機器人的研究成為當前機器人領域中備受關注的重點領域之一［3-5］。張淑清等［6］提出了一種基于多層代價地圖的機器人全覆蓋視覺導航方法，按照行人參數的變化，有效控制機器人的運動姿態(tài)，實現了高質量機器人全覆蓋視覺的導航任務。劉曉飛［7］針對野外環(huán)境復雜多變、定位困難等問題，采用GPS、激光雷達及視覺傳感器等多數據信息，依據各自的特點進行數據整合融合實現定位導航。李紅雙等［8］利用北斗定位系統(tǒng)的定位和輔助定位系統(tǒng)的相關數據對位置信息進行精確校準，得到巡邏機器人的準確位置信息，實現校園機器人的巡邏功能。

1 巡邏方案的提出

圖像識別的循線方案易受外部環(huán)境的影響，激光雷達發(fā)射的激光束因存在一定的時間差或數據傳輸延遲會導致運動畸變。因此，本文選用GPS全球定位導航系統(tǒng)作為本設計的路線規(guī)劃傳感器。GPS全球定位導航系統(tǒng)具有高精度定位、全球覆蓋、實時更新的特點。本設計首先對目標路線的經緯度坐標進行采點，離散化目標路線，將坐標信息存儲在數據存儲模塊中，然后通過GPS模塊獲得機器人的當前經緯度坐標，輔以陀螺儀得到實時航向，求出當前位置與目標位置的偏差，最后控制小車不斷修正方位到達目標位置，實現機器人的校園巡邏路徑方案設計。

2 總體設計方案

本設計使用STM32F103ZET6微控制器作為主控芯片，主要由用于獲取當前位置經緯度坐標信息的GPS模塊，用于獲取機器人當前的航向陀螺儀模塊，用于保存GPS獲得的經緯度數據的數據存儲模塊，用于控制機器人運動狀態(tài)的電機舵機控制電路以及電源模塊組成。硬件電路總體設計如圖1所示。

2.1 底盤結構

機器人底盤由帶有兩個霍爾編碼器電機、一個轉向舵機的四輪小車構成。兩個后輪各自由一個含有編碼器的直流電機驅動，為小車提供動力。兩個前輪由一個拉桿連接在一起，連接一個舵機帶動拉桿實現對小車左右轉向的控制。其中兩個后輪電機上的霍爾編碼器，可以通過同時采集編碼器AB相輸出脈沖的上升沿和下降沿，獲取電機的實際轉速，實現對機器人車速的PID控制。

2.2 定位傳感器模塊

GPS模塊選擇的是NEO-M8N模塊。NEO-M8N能夠同時接收GLonASS和BeiDou，適用于即使在GPS信號差的環(huán)境下都需要高的可用性和準確性的高性能應用。MPU6050為一種能測定芯片自身X軸、Y軸、Z軸的加速度，以及角速度參數的六軸位姿傳感器。

系統(tǒng)以NEO-M8N 模塊獲取機器人實時定位，同時加入MPU6050六軸陀螺儀作為輔助定位。由于在機器人運動時電機的震動導致MPU6050的偏航角出現飄移現象，GPS在機器人長時間穩(wěn)定運行之后獲得的航向是穩(wěn)定的，但是更新頻率慢，因此對GPS獲得的航向與陀螺儀偏航角進行互補濾波，將濾波之后的值作為航向。

3 軟件設計

軟件總體設計如圖2所示，由GPS導航模塊、陀螺儀模塊、數據存儲模塊、運動控制模塊組成。

3.1 各模塊程序設計思路

3.1.1 數據存儲程序模塊

將GPS獲取得到的位置信息存入到單片機內部FLASH中，保證數據在掉電情況下不丟失。對內部FLASH的寫入過程包括：解鎖、頁擦除和寫入數據3個步驟。

3.1.2 陀螺儀程序模塊

單片機通過I2C通信協(xié)議與陀螺儀進行通信，將陀螺儀中獲取到的原始數據讀出，然后通過MPU6050內置的DMP模塊，采用四元數法將原始數據解算為可用的橫滾角、俯仰角、偏航角。

3.1.3 GPS導航程序模塊

GPS在傳輸數據的時候是由串口接收的，因此大量數據在串口傳輸時，如果使用單片機進行循環(huán)處理，將大大降低CPU的效率，因此這里使用DMA方式進行數據傳輸。

3.1.4 運動控制程序模塊

機器人通過陀螺儀和GPS獲得當前航向，然后將當前航向與期望航向的偏差值輸入PID公式得到轉向舵機和運動電機控制的PWM脈寬。

3.2 主程序設計思路

先確定好目標路線，以直道20 m、彎道10 m的間隔距離選定好若干個中間點，將目標路線離散化，然后通過按鍵控制將中間點處的經緯度坐標數據存入單片機的內部FLASH，保證在主板掉電的情況下坐標數據不丟失。

當坐標數據采集完成之后，將陀螺儀獲取到的偏航角進行轉換，使其與GPS航向坐標相統(tǒng)一，同時調整機器人的方向將陀螺儀MPU6050的初始化方向與地理正北方向對齊，完成陀螺儀與GPS的坐標系對齊。然后通過按鍵控制開啟定時器中斷，機器人進入自動循線模式。

通過GPS獲得當前機器人的經緯度數據，然后將目標點坐標經緯度與當前位置坐標經緯度進行計算，得到機器人當前位置與目標地點的期望方向角和距離。通過多次測試，同時考慮到GPS獲取數據時具有一定的延遲，本文選定前瞻距離為5 m，即當前機器人的位置距離目標點的距離小于5 m時，自動將目標點坐標移動到下一個目標點。

由于機器人在靜止或者運行不穩(wěn)定時GPS無法獲取準確的航向，而當機器人穩(wěn)定行駛時GPS的航向相對準確，同時考慮到MPU6050在電機的震動環(huán)境下，噪聲累計誤差會導致其獲取的航向角出現誤差。經過測試，MPU6050在機器人剛啟動的一段時間獲取的偏航角相對準確。因此，在機器人啟動的前一段時間內采用陀螺儀的偏航角作為當前航向，當機器人穩(wěn)定運行之后，對GPS獲得的航向與陀螺儀偏航角進行互補濾波，將濾波之后的值作為當前航向。

最后在獲取機器人當前坐標位置以及航向之后，計算出當前位置與目標位置的距離和方向角的差值，然后通過PID算法控制機器人的電機速度以及舵機的打角向目標地點運動。

軟件總體流程如圖3所示。

4 測試

采用GPS定位系統(tǒng)確定好巡邏目標路線如圖4所示，根據路線的實際情況選定好若干個中間點，中間點選取直道20 m，彎道10 m為間隔。然后通過按鍵將中間點的經緯度坐標數據存入單片機的內部FLASH。在數據存儲完成之后，將陀螺儀的初始化方向與地理正北方向對齊，保證陀螺儀與GPS的坐標系對齊。然后按下按鍵，陀螺儀開始初始化。在陀螺儀初始化完成之后，通過按鍵將機器人切換為巡線模式。在機器人上搭載實時采集的攝像頭，得到的實時圖像如圖5所示。

5 結語

本文設計的校園巡邏機器人采用GPS導航系統(tǒng)獲取坐標信息，在陀螺儀采集到的航向信息的輔助下，在校園中實現了自動巡邏的功能。經實驗表明，機器人能夠高效地完成指定目標路線的校園巡邏，在智慧校園環(huán)境下實現了安保工作的智能化。

參考文獻

［1］鄭超.基于人工智能的智慧校園建設框架及關鍵路徑［J］.電腦知識與技術，2022（17）：83-85.

［2］張帆，黃巧潔，劉沛強，等.智慧校園的技術要求和發(fā)展趨勢研究［J］.電視技術，2022（8）：213-216.

［3］未慶超，張曙光，曹忠尉，等.智能校園巡邏機器人的設計［J］.電子測試，2019（9）：20-22.

［4］王國杰，薛磊，趙凱.基于云平臺的校園無人巡邏機器人遠程智能控制系統(tǒng)設計［J］.邯鄲職業(yè)技術學院學報，2021（4）：51-55.

［5］黃曉艷，夏軒.室外巡邏機器人巡檢系統(tǒng)的研究［J］.中國建設信息化，2022（23）：68-69.

［6］張淑清，鄧慶彪，蔡志文.安防巡邏機器人全覆蓋視覺導航方法［J］.機械設計與制造，2022（12）：264-268.

［7］劉曉飛.野外未知環(huán)境下的巡邏機器人定位導航技術研究［C］.吉林：北華大學，2022.

［8］李紅雙，李孝杰.一種基于北斗定位自主巡邏機器人的研究與試驗測試［J］.機械設計，2020（增刊1）：51-54.

Research on localization and navigation technology of patrol robot based on smart campus

ShiPeng， ZhuWusheng

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou 225000， China）

Abstract：In the environment of smart campus， a campus robot which can patrol by itself based on GPS is designed. Patrol robot takes STM32 as the control core. It is composed of power supply circuit， GPS module， gyroscope module， data storage module， motor and steering engine control circuit. In this design， First of all， longitude and latitude data collected by GPS is stored in data storage module. Then real time heading information is acquired by gyroscope module and GPS. In this process， course information is measured by gyroscope module. At last， movement track of patrol robot is computed. The experimental results show that the robot has achieved the expected goal， and realized the automatic cruise function.

Key words： STM32; GPS; campus patrol robot