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基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：為解決當(dāng)前大部分家庭服務(wù)機(jī)器人不具備行走功能或只具有簡(jiǎn)單的避障能力等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由輪式機(jī)器人、XBee協(xié)調(diào)器、RFID智慧地板和上位機(jī)組成。輪式機(jī)器人由主板、傳感器模塊、射頻模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊和機(jī)器人金屬主體組成，傳感器模塊包括電子羅盤、紅外傳感器和RFID讀卡器。主板以ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器STM32F103VCT6為核心進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采集傳感器模塊數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與XB ee協(xié)調(diào)器之間的通信連接。該系統(tǒng)在模擬智能家居的環(huán)境下通過(guò)自主決策穩(wěn)定和高效地完成設(shè)定任務(wù)，能夠滿足家庭服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用要求。
關(guān)鍵詞：服務(wù)機(jī)器人;XBee;自主決策;RFID;ZigBee;STM32
引言
隨著人工智能和傳感器技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已從工廠的結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)入人們的日常生活環(huán)境，機(jī)器人不僅能自主完成工作、還能與人共同協(xié)作完成任務(wù)或在人的指導(dǎo)下完成任務(wù)。家庭服務(wù)機(jī)器人是智能家居系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在生活中的作用越來(lái)越重要。當(dāng)前，大部分的家庭服務(wù)機(jī)器人不具備行走功能或只具有簡(jiǎn)單的避障能力，機(jī)器人的研究很多依賴于仿真實(shí)現(xiàn)，但是現(xiàn)實(shí)情況和仿真結(jié)果可能大相徑庭。也有一些研究將問(wèn)題復(fù)雜化，反而走了更多的彎路。
針對(duì)當(dāng)前家庭服務(wù)機(jī)器人的不足和現(xiàn)代智能服務(wù)機(jī)器人的要求，本文提出一種基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案模擬智能家居環(huán)境，簡(jiǎn)化了定位方式，有效地利用了ZigB ee技術(shù)低成本、低功耗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)合適大小的輪式機(jī)器人進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)并體現(xiàn)出較強(qiáng)的自主決策能力。
一、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案
整個(gè)家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)主要由四部分組成，包括鋪滿RFID智慧地板的模擬智能家居環(huán)境、移動(dòng)的輪式機(jī)器人、XBee協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)。
智能家居環(huán)境設(shè)計(jì)長(zhǎng)為3.25米，寬為2米，鋪滿RFID智能地板，分隔成廚房和客廳兩個(gè)房間，中間的房門寬0.3米。廚房有水槽、擱板、智能冰箱等電器，客廳有餐桌、餐椅等。RFID智能地板的排列信息給機(jī)器人提供準(zhǔn)確定位。輪式機(jī)器人負(fù)責(zé)往返廚房與客廳之間給服務(wù)對(duì)象運(yùn)送物品，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。XBee協(xié)調(diào)器是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳輸模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定地傳遞。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和控制指令的下達(dá)等。
二、系統(tǒng)工作原理和流程
系統(tǒng)的主要工作流程是：上位機(jī)輸入任務(wù)命令，該命令通過(guò)XBee協(xié)調(diào)器發(fā)送給輪式機(jī)器人。機(jī)器人收到任務(wù)命令后從休眠模式啟動(dòng)，讀取智能地板RFID定位信息，將該實(shí)時(shí)位置信息上傳到上位機(jī)，以顯示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)器人通過(guò)傳感器模塊檢測(cè)自身姿態(tài)和周圍障礙物情況，自主決策移動(dòng)至目標(biāo)位置抓取物品，運(yùn)送到最終目標(biāo)位置給服務(wù)對(duì)象使用。其中，輪式機(jī)器人是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
2.1 XBee協(xié)調(diào)器工作流程
XBee協(xié)調(diào)器是最先啟動(dòng)的XBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要完成KBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能和數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，其中組網(wǎng)功能包括XBee網(wǎng)絡(luò)的建立和子節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)。
首先，在XBee協(xié)調(diào)器上電復(fù)位后對(duì)包括硬件和軟件的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。然后，開(kāi)始掃描信道、進(jìn)行能量檢測(cè)、選擇信道以及選擇合適的PAN ID。成功之后就廣播網(wǎng)絡(luò)ID、信道，XBee網(wǎng)絡(luò)就建立了。之后，XBee協(xié)調(diào)器進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)，收到入網(wǎng)請(qǐng)求后協(xié)調(diào)器允許子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò)短地址給子節(jié)點(diǎn)，這就實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)功能。最后，XBee協(xié)調(diào)器將上位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)射頻模塊，啟動(dòng)輪式機(jī)器人，在收到來(lái)自子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，將接收數(shù)據(jù)并通過(guò)串口線傳輸給上位機(jī)，這就是數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。
2.2 輪式機(jī)器人工作流程
輪式機(jī)器人是任務(wù)的執(zhí)行設(shè)備，往返于廚房和客廳兩個(gè)房間之間，準(zhǔn)確和高效地執(zhí)行用戶對(duì)象發(fā)送的各種命令任務(wù)，并發(fā)送機(jī)器人坐標(biāo)數(shù)據(jù)給XBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行以下工作。
首先，輪式機(jī)器人上的XBee模塊需要初始化和發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。然后，XBee模塊接收XBee協(xié)調(diào)器傳輸?shù)娜蝿?wù)命令數(shù)據(jù)，主板對(duì)各傳感器模塊初始化。RFID讀卡器讀取智能地板坐標(biāo)數(shù)據(jù)，發(fā)送給XBee協(xié)調(diào)器。電子羅盤獲取機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài)信息。紅外傳感器檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境的障礙物距離，主板控制啟動(dòng)由左右兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)組成的移動(dòng)輪。機(jī)器人通過(guò)自主決策規(guī)劃路徑，移動(dòng)至目標(biāo)位置，啟動(dòng)機(jī)械臂抓取物品，其中機(jī)械臂由多個(gè)角度舵機(jī)組成。在機(jī)械臂保持抓取物品的狀態(tài)下，再次規(guī)劃路徑移動(dòng)至最終地點(diǎn)，機(jī)械臂準(zhǔn)確將物品放在目標(biāo)位置。完成任務(wù)后機(jī)器人回到起始位置，進(jìn)入休眠模式。
三、關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
輪式機(jī)器人采用模塊化的設(shè)計(jì)原則，使機(jī)器人的設(shè)計(jì)為模塊化方式，并采用分層控制，有利于綜合性能的發(fā)揮。將機(jī)器人系統(tǒng)分為五個(gè)部分：主板、傳感器模塊、無(wú)線射頻模塊、舵機(jī)模塊和電源模塊。輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
3.1.1 主板
主板是針對(duì)該輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6處理器，主板資源包括SDRAM、NAND Flash， UART接口、GPIO接口、SPI接口和JTAG接口。輔助的資源有USB接口、定時(shí)器等。
主板的設(shè)計(jì)專門為射頻模塊、傳感器模塊和機(jī)械臂模塊提供了接口，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，使控制器集成度更高，運(yùn)行更加穩(wěn)定和高效，從而節(jié)約硬件成本。
3.1.2 傳感器模塊
傳感器模塊由傳感器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路組成。輪式機(jī)器人使用的傳感器包括紅外傳感器、電子羅盤和RFID讀卡器。根據(jù)輪式機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)障礙物距離的精度要求，紅外傳感器采用的型號(hào)為SharpGP2D12，分別安裝在機(jī)器人前方、左前方、右前方、左側(cè)和右側(cè)五個(gè)位置。電子羅盤采用GY-80九軸模塊中的HMC5883L三軸電子羅盤，可以在復(fù)雜環(huán)境下測(cè)得準(zhǔn)確方位值，抗磁電干擾能力較強(qiáng)。RFID讀卡器采用Parallax公司的低頻段28 140讀卡器，可讀取125kHz標(biāo)簽。
3.1.3 射頻模塊
射頻模塊是設(shè)備之間通信的主要模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸工作。射頻模塊采用基于ZigBee技術(shù)的XBee無(wú)線傳輸模塊，該模塊覆蓋面積大且易于配置，是機(jī)器人通訊組網(wǎng)的不錯(cuò)選擇。
XBee協(xié)調(diào)器由XBee無(wú)線模塊和XBee USB適配板組成。XBee USB適配板是專門為XBee無(wú)線模塊配套設(shè)計(jì)，通過(guò)使用該模塊，可以在PC機(jī)使用配套的X-CTU軟件對(duì)XBee無(wú)線模塊進(jìn)行配置及串口通訊監(jiān)控。XBee協(xié)調(diào)器通過(guò)USB線與上位機(jī)連接通信。
3.1.4 舵機(jī)模塊
舵機(jī)模塊分為機(jī)械臂舵機(jī)和移動(dòng)輪舵機(jī)，機(jī)械臂由角度舵機(jī)和金屬桿件組成。五個(gè)角度舵機(jī)構(gòu)成五自由度機(jī)械臂，尺寸大小與搭建智能家居環(huán)境匹配，為保證機(jī)械臂動(dòng)作精度，采用HS-322HD角度舵機(jī)。移動(dòng)輪舵機(jī)使用Parallax連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)。
3.1.5 電源模塊
根據(jù)各個(gè)組成部分工作的場(chǎng)合和特點(diǎn)的不同，采用不同的供電模式，輪式機(jī)器人采用電池供電的模式，而XBee協(xié)調(diào)器則要一直保持工作狀態(tài)，所以采用上位機(jī)USB供電的模式。電源模塊與主板相連，而主板留有接口給傳感器模塊、射頻模塊和舵機(jī)模塊，通過(guò)接口給傳感器模塊、射頻模塊和舵機(jī)模塊進(jìn)行供電。由于RFID讀卡器對(duì)電流要求較高，因此主板和RFID讀卡器分開(kāi)使用雙電源供電。
3.2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)
3. 2.1 驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)包括各個(gè)模塊的初始化、模塊之間的通信和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。該文采用與STM32F103VCT6配套的MDK-ARM作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成各個(gè)模塊初始化和通信，上位機(jī)軟件采用VC++開(kāi)發(fā)。具體的各個(gè)模塊軟件實(shí)現(xiàn)的功能及工作流程在系統(tǒng)的工作原理和流程中已經(jīng)介紹，這里不再敘述。
3.2.2 路徑規(guī)劃
路徑規(guī)劃主要可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，前者是指在環(huán)境信息完全已知的情況下，機(jī)器人規(guī)劃一條從初始位置到目標(biāo)位置的無(wú)碰撞最優(yōu)路徑：后者由于環(huán)境信息是未知的，需考慮局部的特定情況來(lái)進(jìn)行路徑調(diào)整。
機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中利用電子羅盤進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，即調(diào)整前進(jìn)方向，努力尋找一條最快捷的路徑到達(dá)目標(biāo)位置。機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整主要取決于當(dāng)前位置和前一位置與目標(biāo)位置的距離，包括橫向距離和縱向距離。若當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的橫向距離和縱向距離分別小于或者等于前一位置與目標(biāo)位置的橫向距離和縱向距離，表明機(jī)器人與目標(biāo)位置的距離在逐漸縮小，機(jī)器人在朝目標(biāo)位置前進(jìn)，否則就說(shuō)明機(jī)器人沒(méi)有按預(yù)期的軌跡前進(jìn)，需要再次進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。姿態(tài)調(diào)整示意圖如圖2所示。
局部路徑規(guī)劃包括避障處理、振蕩位置分析、房門位置搜索和過(guò)房門策略分析。在機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中，需要不斷探測(cè)周圍環(huán)境，從而更好地決定下一步動(dòng)作。五個(gè)紅外傳感器數(shù)據(jù)使機(jī)器人時(shí)刻掌握周圍環(huán)境，避障處理要求機(jī)器人合理避開(kāi)障礙物，向目標(biāo)位置移動(dòng)。
振蕩位置指的是機(jī)器人不能順利通過(guò)某一位置，而在這一點(diǎn)附近反復(fù)來(lái)回走動(dòng)。如果起始位置和目標(biāo)位置分別在兩個(gè)房間，在全局路徑規(guī)劃思想的指導(dǎo)下，機(jī)器人會(huì)在兩間房的公用墻邊不斷徘徊。振蕩位置分析示意圖如圖3所示。
當(dāng)機(jī)器人到達(dá)振蕩位置時(shí)，需要調(diào)整路徑規(guī)劃策略，此時(shí)放棄全局路徑規(guī)劃策略，選擇直接以公用墻為基準(zhǔn)墻搜索房門。沿墻走算法的基本規(guī)則是：當(dāng)機(jī)器人不斷靠近墻面時(shí)需要調(diào)整兩輪速差使機(jī)器入朝偏離墻面的方向前進(jìn)：當(dāng)機(jī)器人不斷遠(yuǎn)離墻面時(shí)，則需要調(diào)整兩輪速差，使機(jī)器入朝靠近墻面的方向前進(jìn)。綜合調(diào)整的結(jié)果是機(jī)器人的前進(jìn)軌跡是以基準(zhǔn)線為軸的類正弦曲線，沿墻走軌跡如圖4所示。
過(guò)房門是機(jī)器人完成任務(wù)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，怎樣確保機(jī)器人順利穿過(guò)房門是任務(wù)成功的關(guān)鍵。機(jī)器人準(zhǔn)備過(guò)房門時(shí)并不是正對(duì)房門，可能向左側(cè)或者右側(cè)不同程度的傾斜。根據(jù)傾斜程度的劃分，機(jī)器人檢測(cè)相對(duì)應(yīng)的紅外傳感器距離值，不斷調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使機(jī)器人正對(duì)房門并順利通過(guò)。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，為智能家居環(huán)境服務(wù)對(duì)象的需求任務(wù)提出了詳細(xì)可行的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用了基于KBee模塊的主流無(wú)線通信技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)的傳輸速率。此外，對(duì)輪式機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，大大提高了家庭服務(wù)機(jī)器人的可靠性，并且降低了系統(tǒng)的硬件成本。自主決策過(guò)程中的路徑規(guī)劃，使得機(jī)器人能夠快速沿著最合適的路線移動(dòng)�？傊撛O(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)家庭服務(wù)機(jī)器人相關(guān)問(wèn)題的解決提供了可借鑒的方法。
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