翔宇 顧光榮 劉海宇 陳隆基

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

關(guān)鍵詞： STM32;機器人;巡航

引言

從2013年德國提出工業(yè)4.0開始，機器人技術(shù)的迅猛發(fā)展促使工業(yè)智能化快速實現(xiàn)。而“人機協(xié)同”是下一步工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題，目前的工業(yè)機器人移動能力不夠完善，操作方法不夠靈活，自主化程度也不高[1]。

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

一、巡航機器人的整體系統(tǒng)設(shè)計

本文提出的巡航機器人主要運用于工廠車間、教學樓、倉庫等重視安全保障的場所。該機器人以輪式機器人為主體，主要組成部分有運動部分、控制部分、檢測部分、信息傳輸部分和電源管理部分。其中運動部分由機器人底盤、直流電機、橡膠車輪組成?？刂撇糠钟蒘TM32單片機作為微處理器，控制各個部分的協(xié)調(diào)工作。檢測部分由攝像頭和超聲波探測器組成，主要用于循跡、躲避障礙物、識別障礙物。信息傳輸部分采用WIFI無線模塊與上位機進行通信，及時反映機器人的狀態(tài)以及巡航情況。通過控制部分將整個系統(tǒng)緊密結(jié)合起來，從而實現(xiàn)自動巡航、自動報警、遠程監(jiān)控等功能。它可以幫助人們自動巡檢辦公樓或者其他需要安全保障措施的場所，按照程序設(shè)計的規(guī)定，對指定的區(qū)域進行定時巡檢[3]。

二、運動部分設(shè)計

輪式機器人的運動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72Mhz，擁有豐富的外部接口，多個基本和高級定時器。整個運動有四個直流電機完成。直流電機具備易于控制、成本低等多個有點。采用四個直流電機可以充分提高輪式機器人的靈活性，從而應(yīng)對不同的使用場合。直流電機驅(qū)動采用常見的H橋，這種驅(qū)動方式具有控制簡單，邏輯清晰，效率高等優(yōu)點。其中控制算法采用比例積分微分算法，即PID算法。通過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

巡航機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。該巡航機器人的循跡采用攝像頭循跡。通過綜合考慮多種方案，本文提出的巡航機器人采用OpenMV。OpenMV采用Python編程，Python語言具有很強的移植性。這種模塊具備豐富的可調(diào)用庫，強大的數(shù)據(jù)處理能力。通過OpenMV抓取有效的圖像信息，分析前進過程中的狀況，將路況上傳給處理器，由處理器做出判斷。根據(jù)程序設(shè)計的邏輯完成既定的動作。針對不同的路況，論事機器人采取不同的處理方案，從而達到運動控制的目標。

四、檢測及信息傳輸部分設(shè)計

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，然后把信息及時地傳輸?shù)酱竽X，并對外界環(huán)境信息的變化作出相應(yīng)的處理。對于巡航機器人來說，避障模塊之于巡航機器人，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完成。超聲波傳感器具有測量精度高，成本低，易于維護和替換的優(yōu)點。故采用HC-SR04超聲波模塊來實現(xiàn)避障。避障功能能夠讓巡航機器人在安全穩(wěn)定的狀況下工作，從而提高機器人的使用壽命。除此以外，通過四個超聲波模塊，該機器人可以實現(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)計部分設(shè)計，主要由WIFI模塊完成，本文提出的機器人采用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ESP8266傳輸給上位機，從而實現(xiàn)了遠程監(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，通過電源管理芯片，將電壓分為三個等級，分別給電機、傳感器、處理器進行供電，從而達到電源效率最優(yōu)的目標，為系統(tǒng)的高效運行提供保障。

六、軟硬件設(shè)計及仿真

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

軟件編程采用Keil軟件來完成，利用C語言來配置STM32的各個寄存器，合理的設(shè)置控制邏輯，從而實現(xiàn)程序控制，使機器人實現(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)計實現(xiàn)的過程中，充分結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用WIFI無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)了遠程監(jiān)視，利用超聲波定位技術(shù)實現(xiàn)了自主移動。為巡航機器人系統(tǒng)設(shè)計提供了參考，今后在此巡航機器人的基礎(chǔ)上，再加入電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及人工智能技術(shù)等多學科技術(shù)，能夠使此智能巡航機器人更加自主、更加精確、更加智能地為人類服務(wù)。

參考文獻：

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

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

[3]石曉木 一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn). 中國海洋大學碩士學位論文，2006.