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        基于STM32 的送餐機(jī)器人設(shè)計(jì)

        2023-07-13 10:33:58秦艷
        電子制作 2023年11期
        關(guān)鍵詞:循跡障礙物超聲波

        秦艷

        (江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮安生物工程分院,江蘇淮安,223200)

        0 引言

        隨著社會(huì)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。在極大地提升工作效率的同時(shí),也為人們的生活提供了較多的便利。

        對(duì)于送餐機(jī)器人領(lǐng)域而言,目前國內(nèi)眾多機(jī)構(gòu)開展了研究。例如:文獻(xiàn)[1]以ROS 平臺(tái)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了具有六個(gè)自由度的機(jī)械手臂,在食物抓取方面取得了良好的效果;文獻(xiàn)[2]為送餐機(jī)器人規(guī)劃了路徑并設(shè)置了避障功能,該機(jī)器人能夠比較準(zhǔn)確地將食物運(yùn)輸至指定地點(diǎn);文獻(xiàn)[3]在ROS平臺(tái)進(jìn)行仿真,并展開了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了送餐機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確避障功能。上述研究均是針對(duì)送餐機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行功能設(shè)計(jì),達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。因此,對(duì)于送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)而言,關(guān)鍵在于應(yīng)用場(chǎng)景和功能的確定。在該前提下,才能夠設(shè)計(jì)出應(yīng)用性較高的機(jī)器人。綜上所述,本文以酒店為應(yīng)用場(chǎng)景,擬定機(jī)器人的功能,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),達(dá)到功能完善、使用便捷的目的。

        1 送餐機(jī)器人功能設(shè)定及系統(tǒng)的布局

        對(duì)于本課題而言,送餐機(jī)器人的工作場(chǎng)景為酒店,即送餐的地點(diǎn)主要包括酒店大廳、客房、酒店辦公場(chǎng)所等地。因此,首要的步驟是通過對(duì)場(chǎng)景的分析,擬定機(jī)器人的基本功能。通常情況下,酒店各層的地面都較為平坦和光滑,且照明、電梯以及主要的用電設(shè)備均是二十四小時(shí)運(yùn)行。故要使送餐機(jī)器人正常工作,可以不用考慮復(fù)雜的地形和環(huán)境,僅需要設(shè)計(jì)比較常規(guī)的功能即可。根據(jù)上述分析,送餐機(jī)器人的具體功能包括:循跡、避障、移動(dòng)、定位、通信等。根據(jù)上述具體的功能,系統(tǒng)的基本布局,如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)基本布局

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

        根據(jù)圖1 所示的系統(tǒng)基本布局可知,對(duì)于該送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,主要圍繞這幾個(gè)模塊來進(jìn)行。本文的具體設(shè)計(jì)思路為:送餐機(jī)器人以主控模塊為中心,以藍(lán)牙模塊來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞、人機(jī)交互等通信功能。在藍(lán)牙通信模塊的媒介下,主控模塊可以對(duì)循跡模塊、避障模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等發(fā)送指令,讓機(jī)器人根據(jù)指令按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行動(dòng)作。與此同時(shí),機(jī)器人的運(yùn)行情況,也同時(shí)以信號(hào)的形式反饋至主控模塊,以判斷機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài),并適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)器人達(dá)到指定地點(diǎn)時(shí),通過灰度識(shí)別功能指示其停止,從而完成送餐的整個(gè)過程。送餐的具體流程,如圖2 所示。

        圖2 機(jī)器人送餐流程

        3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

        ■3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

        主控模塊是硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵步驟,合理的主控芯片選擇,對(duì)于提升系統(tǒng)的控制精度和控制效果具有舉足輕重的作用。對(duì)于本文而言,在主控芯片的選擇中,由于送餐機(jī)器人在酒店工作時(shí),經(jīng)常會(huì)因?yàn)樗筒蜁r(shí)間要求、酒店里面的人具有不確定的行走軌跡等因素,需要經(jīng)常進(jìn)行速度的變換或停止。因此,結(jié)合文獻(xiàn)[4-5]的研究結(jié)論,STM32F103ZET6處理器對(duì)于控制機(jī)器人速度、加速度以及定位等方面具有良好的效果,與機(jī)器人運(yùn)行的需求相適應(yīng)。同時(shí),也能夠達(dá)到較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此,本課題擬選擇STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片。芯片的基本參數(shù)如表1 所示。

        表1 STM32F103ZET6主要參數(shù)

        ■3.2 循跡模塊設(shè)計(jì)

        送餐機(jī)器人的循跡模塊,考慮到應(yīng)用場(chǎng)景為酒店,僅需要要求機(jī)器人按照既定路線進(jìn)行運(yùn)行和避障。通常而言,酒店每一層的面積并不是很大。且在酒店里面通常燈光都比較明亮。因此在循跡模塊的設(shè)計(jì)中,需要考慮燈光對(duì)于傳感器的影響因素。鑒于此,由于紅外線的波長大于可見光波長,所以受到燈光的影響很小。在一定程度上來說,也確保了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。因此,對(duì)于實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航而言,在既定的場(chǎng)景中,紅外循跡是一種行之有效的方式[6]。故在循跡模塊的類型選擇中,也確定為紅外循跡方式,其模塊的基本電路如圖3 所示。

        圖3 紅外循跡模塊

        ■3.3 避障模塊設(shè)計(jì)

        在酒店里面,由于人流量比較大,且每個(gè)人的行走路線比較隨機(jī)。故送餐機(jī)器人在運(yùn)行過程中,難免會(huì)遇到前方存在阻礙的情況。若不設(shè)置避障模塊,則很容易與人相撞從而發(fā)生事故。因此,避障模塊的設(shè)計(jì)是非常必要的。對(duì)于送餐機(jī)器人而言,由于本身的質(zhì)量,在移動(dòng)過程中存在一定的慣性,所以若當(dāng)障礙

        物距離很近的時(shí)候才判斷出來,即使識(shí)別出了障礙物,由于慣性問題也有可能無法及時(shí)停止,繼而導(dǎo)致與障礙物相撞。故在避障模塊的選擇中,主要考慮能夠在障礙物較遠(yuǎn)的時(shí)候便識(shí)別出來,為即時(shí)停止提供緩沖距離。而超聲波傳感器則具有檢測(cè)的距離較遠(yuǎn)、高精度以及抗干擾性良好等特點(diǎn)[7]。因此,選擇超聲波傳感器作為避障模塊的感應(yīng)元件。超聲波避障模塊的傳感電路如圖4 所示。

        圖4 超聲波避障模塊傳感電路

        ■3.4 定位模塊設(shè)計(jì)

        送餐機(jī)器人在運(yùn)行和送餐的過程中,都需要隨時(shí)進(jìn)行定位。否則,送餐的動(dòng)作無法完成。因此,機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,定位模塊也是不可缺少的一部分。在本課題中,考慮到機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及運(yùn)行到停止過程中的距離,擬選擇體積較小、識(shí)別率較高的灰度傳感器實(shí)現(xiàn)便捷的定位功能[8]。

        ■3.5 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

        在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,常用的行走機(jī)構(gòu)包括足式和輪式[9]。本文考慮到送餐機(jī)器人的工作場(chǎng)景,酒店的地面通常比較平坦和光滑。因此,在機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)的類型選擇中,要實(shí)現(xiàn)比較快速的行進(jìn),采用輪式的結(jié)構(gòu)比較適合。因此,在確定了輪式結(jié)構(gòu)為機(jī)器人行進(jìn)的方案后,如何驅(qū)動(dòng)是一個(gè)比較重要的問題。因?yàn)轵?qū)動(dòng)模塊就是確保其穩(wěn)定和快速運(yùn)行的關(guān)鍵。在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中,考慮到直流電機(jī)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的變化控制性能較好,能夠快速實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及各級(jí)調(diào)速、且調(diào)速類型屬于無級(jí)調(diào)速、電機(jī)本身的啟停性能較優(yōu)等因素,能夠比較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制,遇見障礙物或到達(dá)目的地能夠及時(shí)停止。故在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中,選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),其驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示。

        圖5 驅(qū)動(dòng)模塊

        ■3.6 通信模塊設(shè)計(jì)

        通信模塊的設(shè)計(jì)中,由于酒店的整體空間不大,采用藍(lán)牙模塊即可滿足使用要求。故本文主要選擇HC-06 藍(lán)牙模塊。原因在于其具有功耗低、在工作范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)丟包率低以及靈敏度較高等特點(diǎn)[10]。HC-06 藍(lán)牙模塊的部分參數(shù)如表2 所示。

        表2 HC-06基本參數(shù)

        4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、定位模塊、藍(lán)牙通信模塊的程序設(shè)計(jì)。其中,驅(qū)動(dòng)模塊主要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),通過PWM 占空比對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)來完成。而循跡、避障以及定位模塊是工作的重點(diǎn)。其軟件設(shè)計(jì)的具體步驟為:(1)在循跡模塊中,先完成紅外傳感器的光電對(duì)管初始化操作,對(duì)GPIO 端口的速度進(jìn)行配置,并對(duì)三個(gè)光電對(duì)管控制機(jī)器人的動(dòng)態(tài)進(jìn)行判斷;(2)根據(jù)舵機(jī)控制避障模塊的方向,讓該模塊能夠在最大的范圍內(nèi)識(shí)別障礙物,并做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作;(3)灰度傳感器將獲得的參數(shù)與程序中設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比,判斷送餐機(jī)器人是否抵達(dá)了預(yù)期的位置,并進(jìn)行信號(hào)反饋,讓系統(tǒng)開展對(duì)應(yīng)的動(dòng)作指令。

        在藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計(jì)中,主要包括兩個(gè)部分:(1)對(duì)送餐機(jī)器人主控芯片的程序進(jìn)行初始化串口通信,系統(tǒng)需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的邏輯處理,由此控制送餐機(jī)器人的動(dòng)作;(2)上位機(jī)程序采用App Inventor 2 平臺(tái)進(jìn)行開發(fā),實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面和邏輯設(shè)計(jì)。

        5 系統(tǒng)性能測(cè)試及優(yōu)化改進(jìn)

        完成送餐機(jī)器人的軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,需要測(cè)試系統(tǒng)的性能,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理。因此,本文采用幾何相似原理,建立了送餐機(jī)器人的模型,并在一個(gè)50m×40m 的空間進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容主要包括機(jī)器人循跡的精度、避障效果、定位精度、系統(tǒng)的響應(yīng)以及穩(wěn)定性等,將各測(cè)試指標(biāo)按照:最佳、良好、一般、較差以及極差五個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)定[11]。測(cè)試的基本結(jié)果如表3 所示。

        表3 系統(tǒng)性能測(cè)試基本結(jié)果

        從表3 所示的系統(tǒng)性能測(cè)試基本結(jié)果來看,系統(tǒng)的循跡精度、定位精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性都處于良好的等級(jí),說明這些基本的指標(biāo)都能夠滿足使用要求。但是,從避障效果來看,僅為一般的等級(jí),說明系統(tǒng)在避障方面存在一定的問題。通過分析,基本原因在于,避障模塊的設(shè)計(jì)中,雖然超聲波傳感器比較適合于遠(yuǎn)處存在障礙物的識(shí)別,但是面對(duì)障礙物較近或是面對(duì)突如其來的近處障礙物時(shí),其識(shí)別效果不甚理想。很容易導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物相撞的情況。因此,根據(jù)測(cè)試的結(jié)果,需要對(duì)該模塊進(jìn)行改進(jìn),即在原超聲波傳感器模塊的基礎(chǔ)上,再添加紅外傳感器。將原先單一的超聲波避障替換為超聲波+紅外傳感器聯(lián)合避障的系統(tǒng)[12~14],如此一來可以有效解決單一傳感器的弊端,達(dá)到良好的避障效果。

        6 結(jié)論

        對(duì)應(yīng)用于酒店場(chǎng)景的送餐機(jī)器人設(shè)計(jì)中,在確定功能的基礎(chǔ)上,擬定了系統(tǒng)的各模塊。并完成了該系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。通過性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),由于系統(tǒng)的避障效果不佳,故將原超聲波傳感器避障的設(shè)計(jì)方案改進(jìn)成了超聲波和紅外傳感器聯(lián)合避障的結(jié)構(gòu),為后續(xù)該送餐機(jī)器人投入實(shí)際的使用,提供了依據(jù)。

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