陳曉偉

（廣東精益電力設(shè)備有限公司，廣東揭陽，522000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的開發(fā)越來越快，在惡劣的環(huán)境或特殊環(huán)境下用智能機(jī)器人代替人類工作，讓智能機(jī)器人為人類服務(wù)已成為人們研究開發(fā)智能機(jī)器人的方向之一。由于在惡劣和特殊環(huán)境下進(jìn)行路面排障、貨物搬運、軍事偵察和處理危險物品,會造成人員和資源的大量浪費,甚至發(fā)生人身傷害，因此,設(shè)計制造一種智能排障機(jī)器人在特殊環(huán)境下排除障礙十分必要[1-2]。本文設(shè)計了基于STM32的智能排障機(jī)器人。排障機(jī)器人以STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控器，以履帶式結(jié)構(gòu)作為機(jī)械平臺[3-5],結(jié)合紅外測距傳感器以及兩自由度機(jī)械臂和OV7670 攝像頭模塊實現(xiàn)的智能排障機(jī)器人,具有遠(yuǎn)程視頻遙控控制[6]、準(zhǔn)確排除障礙物的功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

智能排障機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。該裝置系統(tǒng)由控制子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、驅(qū)動子系統(tǒng)、機(jī)械手系統(tǒng)、外部傳感子系統(tǒng)組成，其中控制系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)和可控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)為主控制器STM32單片機(jī)，可控制系統(tǒng)由各個模塊組成；電源子系統(tǒng)為整個裝置供電，包括鎳鎘蓄電池和電源管理模塊；外部傳感系統(tǒng)為主控制器提供輸入信息，包括無線傳輸模塊、紅外測距模塊，圖像監(jiān)測模塊；機(jī)械手子系統(tǒng)主要由兩自由度機(jī)械臂和夾爪組成，接收主控制器的輸出信號并進(jìn)行障礙物的夾取和搬運。智能排障機(jī)器人總體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能排障機(jī)器人總體系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制子系統(tǒng)

為了滿足本設(shè)計的無線監(jiān)控排障機(jī)器人控制系統(tǒng)的需要，提出了一種STM32+PC+遙控手柄為控制模式和基于無線通訊的控制系統(tǒng)[7-11]。通過上位機(jī)對攝像頭采集的圖像進(jìn)行實時監(jiān)控，用遙控手柄對機(jī)械手和智能機(jī)器人平臺發(fā)出控制命令，核心控制器STM32通過無線設(shè)備接收數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)給各個模塊。

STM32F103ZET6的內(nèi)核是ARM32位的Cortex-TM-M3 CPU,最高的工作頻率高達(dá)72MHz，可以更好地完成高端運算。由于配置的存儲器內(nèi)存大，從256K至512K字節(jié)的內(nèi)存存儲器，高達(dá)64K字節(jié)的 SRAM，帶有4個片選的靜態(tài)存儲器控制器，使得它可以存儲大量信息。STM32核心控制板如圖2所示。

圖2 STM32的核心控制板

2.2 電源子系統(tǒng)

電源子系統(tǒng)由電池和電源管理模塊組成。根據(jù)我們的需要，我們在設(shè)計中選用鎳鎘蓄電池。

電源管理模塊的基本要求是提供穩(wěn)定的電壓，各路電壓信號不能互相干擾。它的作用是對7.2V 1800mA鎳鎘蓄電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)各部分正常工作的需要，各模塊的電壓值可分為5V、6.5V、7.2V三個檔，電源管理單元主要用于以下三個方面：

（1）采用穩(wěn)壓管芯片LM2576將電源電壓穩(wěn)壓到5V后，給單片機(jī)系統(tǒng)電路供電。

（2）經(jīng)過一個二極管降至6.5V左右后供給攝像頭.

（3）直接給直流驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動芯片L298電路供電。

2.3 驅(qū)動子系統(tǒng)

驅(qū)動子系統(tǒng)的主要功能是通過控制子系統(tǒng)的指令對排障機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行控制，使其完成各種動作。排障機(jī)器人的驅(qū)動子系統(tǒng)由穩(wěn)定性高的履帶式平臺和2個直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動器組成。

直流電機(jī)專用驅(qū)動器，所用芯片l298屬于H橋集成電路，其輸出電流為2000mA，最高工作電壓是36V，最高工作電流是4A，可以驅(qū)動繼電器，步進(jìn)電機(jī)，同時驅(qū)動板設(shè)有與單片機(jī)直接相連的接口輸入端，可以很方便地用單片機(jī)控制。并以7.2V直流電機(jī)驅(qū)動裝置，最大運行度18m/min(0.3m/s)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩1kg.cm，電機(jī)功率2.1W。

2.4 機(jī)械手子系統(tǒng)

機(jī)械手需要在高精度、負(fù)重的環(huán)境工作，其自身的結(jié)構(gòu)必須要適應(yīng)這樣的工作強(qiáng)度，所以優(yōu)良的選材和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠給機(jī)械手的運行奠定扎實的基礎(chǔ)[12]。機(jī)械手子系統(tǒng)采用兩自由度的機(jī)械臂和夾爪，如圖3所示，通過主控制器產(chǎn)生的PWM脈沖信號完成對舵機(jī)0到180度之間運轉(zhuǎn)控制,使機(jī)械手完成對障礙物的夾取，起到排障的功能。

圖3 排障機(jī)械手

機(jī)械手自由度選用金屬數(shù)字舵機(jī)MG996R，該數(shù)字舵機(jī)不但擁有精準(zhǔn)的定位能力，，而且面對高強(qiáng)度的運行場景，該數(shù)字舵機(jī)也在運行過程中保持平均的扭力，在一個位置上有更有力的固定力量。

2.5 外部傳感模塊

外部傳感模塊是整個機(jī)器人系統(tǒng)的檢測反饋機(jī)構(gòu)。它的作用是利用各種不同功能的傳感器對周圍環(huán)境的具體信息進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到?jīng)Q策模塊，作為決策模塊進(jìn)一步分析與判斷的依據(jù)。

（1）排障機(jī)器人采用紅外測距傳感器，具有一對完善的發(fā)射、接收裝置,即為紅外線的發(fā)射信號，設(shè)備內(nèi)的二極管接收信號。其工作原理就是通過測距模塊中的紅外線發(fā)射器發(fā)射出一束紅外線，當(dāng)這束光線照到物體后就會反射回來，傳導(dǎo)模塊中的接收信號區(qū)，根據(jù)紅外線的發(fā)射與接收之間的時間差，經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理運算得到兩物之間的距離。而本論文所采用的紅外測距模塊GP2YOA02YKOF，如圖4所示，GP2YOA02YKOF有3個端口，分別是電源端，信號端和接地端。GP2YOAO2YKOF測量距離的范圍在20cm-150cm之間，測量誤差小于0.5cm。

圖4 紅外測距傳感器

（2）排障機(jī)器人采用NRF24L01無線數(shù)傳模塊，該無線數(shù)傳模塊是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的芯片，其輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置極低的電流消耗。小型：內(nèi)置2.4GHz天線，體積??；便于開發(fā)：由于鏈路層完全集成在模塊上，非常便于開發(fā)；在空曠條件250Kb的波特率，在240米以上都有信號。在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制排障時，通過NRF24L01無線數(shù)傳模塊把單片機(jī)連接到機(jī)械手柄上。通過機(jī)械手柄控制排障機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及障礙物的抓取。

（3）排障機(jī)器人采用OV7670攝像頭模塊[13]，如圖5所示，它屬于一種圖像傳感器，它的整體結(jié)構(gòu)比較小，大大縮減機(jī)器人的空間。該攝像頭模塊在3.3V電壓下進(jìn)行工作，提供單片機(jī)VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。利用攝像頭模塊收集排障機(jī)器人周圍的圖像信息傳回上位機(jī)軟件中顯示，通過實時監(jiān)控，通過操作上位機(jī)控制軟件讓排障機(jī)器人完成排障工作。

3 程序設(shè)計

3.1 機(jī)器人排障主程序設(shè)計

排障機(jī)器人排障主程序流程圖如圖6所示。排障工作流程需要對各個模塊進(jìn)行初始化,設(shè)定各自的工作模式并對各個變量定義。初始化完成以后,開始檢測攝像頭模塊，驅(qū)動模塊，機(jī)械手模塊與控制單片機(jī)的連接是否正常, 如果異常則查找原因，并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 排障機(jī)器人排障主程序流程圖

其次上位機(jī)對攝像頭模塊收集到的圖像信息進(jìn)行處理，呈現(xiàn)清晰的圖像，通過手柄控制排障機(jī)器人完成前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)彎動作，向障礙物靠近，在機(jī)器人行走的過程中，實時檢測障礙物是否在視野中，如果出現(xiàn)障礙物離開攝像頭視野，需要通過及時調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向，確保障礙物出現(xiàn)在上位機(jī)監(jiān)控圖像中。

再次，在機(jī)器人前進(jìn)過程中，紅外測距模塊實時測量障礙物與機(jī)器人的具體距離，當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)到距離障礙物一米距離時，機(jī)器人停止前進(jìn)，然后控制機(jī)械手完成對障礙物的夾取工作。

3.2 控制機(jī)械手的流程設(shè)計

控制機(jī)械手的動作，需要各模塊的配合工作，遙控手柄的無線傳輸信號傳遞到核心控制器中，核心控制器控制電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動舵機(jī)，使機(jī)械手完成對障礙物夾取的動作。機(jī)械手控制流程如圖7所示。

圖7 機(jī)械手控制流程圖

3.3 機(jī)器人動作流程設(shè)計

機(jī)器小車運動，需要依靠stm32核心控制模塊控制電機(jī)驅(qū)動模塊，通過控制單片機(jī)IO口輸出電平的高低轉(zhuǎn)換使小車實現(xiàn)前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)彎的功能，電機(jī)驅(qū)動模塊的四個邏輯輸入信號端口連接在單片機(jī)的IO口端，其中利用IN1、IN2來控制左輪，IN3、IN4控制右輪，單片機(jī)的PWM信號輸入電機(jī)驅(qū)動模塊的邏輯信號端，能使電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。機(jī)器人動作程序流程圖如圖8所示。

圖8 機(jī)器人動作程序流程圖

3.4 紅外測距的程序設(shè)計

我們采用紅外測距傳感器，當(dāng)機(jī)器小車在運行過程中，測距模塊實現(xiàn)測量機(jī)器小車與障礙物的距離，當(dāng)測量距離達(dá)到臨界距離（避免發(fā)生碰撞的最小安全距離）時，機(jī)器小車減速運行，并把測量距離與控制器設(shè)定的最小距離實時對比，當(dāng)測量距離等于最小距離時，機(jī)器小車停止運動。

4 測試與分析

硬件和軟件完成后,對整個系統(tǒng)進(jìn)行了實際測試。選擇5個寬為5cm，重0.3kg的塑料盒,讓智能排障小車在不同距離進(jìn)行抓舉。如圖9，圖10和圖11所示，排障機(jī)器人通過攝像頭模塊進(jìn)行實時監(jiān)控，利用紅外線測距模塊來計算車體與障礙物的距離，進(jìn)行定位，進(jìn)而對障礙物進(jìn)行抓取。綜合多次實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，智能車對障礙物的測距誤差較少，定位準(zhǔn)確率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)連貫抓取，達(dá)到了研究的預(yù)期目的。

圖9 排障機(jī)器人定位障礙物

圖10 排障機(jī)器人夾取障礙物

圖11 上位機(jī)監(jiān)控圖像

5 結(jié)語

設(shè)計完成了一款基于STM32智能排障機(jī)器人。該機(jī)器人自帶機(jī)械臂, 可實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻遙控控制、準(zhǔn)確排除障礙物等功能。該智能排障機(jī)器人具有運行速度快且比較平穩(wěn)、機(jī)械手工作精度高等特點, 可以在工業(yè)生產(chǎn)中推廣。