機電一體化的智能皮影表演系統(tǒng)*

作者：崔鑫,王新懷**,徐茵,段清原,王澤遠,范浩揚(西安電子科技大學(xué),西安 710126) 時間：2022-04-19 來源：電子產(chǎn)品世界

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編者按：設(shè)計了以ESP32開發(fā)板為控制核心，基于機電一體化，MQTT等互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議和3D建模等技術(shù)的智能皮影表演系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以由上位機控制，燈光系統(tǒng)、自動化幕布、音樂系統(tǒng)按照設(shè)定的演出安排有序進行，機器人按照上位機發(fā)送的動作序列進行皮影表演。本系統(tǒng)將現(xiàn)代機器人技術(shù)與皮影藝術(shù)相結(jié)合，兼具觀賞性和科技性，可在展覽廳、博物館等各類文化宣傳交流的場所進行展示觀賞。

*項目來源于國家級省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目支持（項目編號：S201910701058），并獲邀在2019年西安大學(xué)生創(chuàng)客節(jié)展出。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202204/433244.htm

作者簡介：**通信作者：王新懷，男，博士，副教授/博導(dǎo)，研究方向：微波毫米波電路與系統(tǒng)設(shè)計、智能天線與天線組陣技術(shù)等領(lǐng)域。

郵箱：xinhuaiwang@xidian.edu.cn。

徐茵，女，講師，研究方向：微波毫米波電路與系統(tǒng)設(shè)計、實時信號處理系統(tǒng)設(shè)計等領(lǐng)域。

崔鑫，段清原，范浩揚，電子工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。

王澤遠，微電子學(xué)院微電子科學(xué)與工程專業(yè)。

0 引言

皮影戲是我國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，但因為傳統(tǒng)皮影表演需要長期的專業(yè)訓(xùn)練，并且皮影文化在現(xiàn)代的流傳程度嚴(yán)重不足，所以皮影表演已經(jīng)接近銷聲匿跡。筆者在陜西華縣等地考察發(fā)現(xiàn)，皮影表演依舊受到歡迎，但其表演形式較為單一，在數(shù)量和效率方面有著一定的局限性。

本系統(tǒng)將皮影戲和自動控制技術(shù)結(jié)合起來，賦予其新的表演形式。用機器人表演皮影戲，可以克服傳統(tǒng)皮影戲編排效率的問題，也能突破數(shù)量局限，更大范圍的發(fā)揚和傳承皮影戲。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)整體可分為4 部分：第1 部分負(fù)責(zé)機器人控制，包括以ESP32為核心的舵機控制系統(tǒng)、以74LVC4245等芯片組成的電壓控制系統(tǒng)和以超聲波測距模塊為核心的定位系統(tǒng)；第2部分是通信系統(tǒng)，其實現(xiàn)基于UDP和MQTT互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的上位機信息傳送和Wi-Fi模塊信息接收的功能；第3部分為機械結(jié)構(gòu)，包括機器人結(jié)構(gòu)，表演臺搭建和3D打印的連接件。第4部分是皮影表演的輔助設(shè)備，包括可遙控幕布，音響、燈光系統(tǒng)和GUI交互界面等。

通過利用MQTT等互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議快捷有效地解決了上位機和主控芯片的通信問題；應(yīng)用3D打印形成機器人和皮影、以及機器人和軌道的各種連接傳動裝置；完善的機器人自由度設(shè)計可以完美的實現(xiàn)傳統(tǒng)皮影表演的各種動作。通過各個功能的有機結(jié)合，最終實現(xiàn)了機電一體化的智能皮影表演系統(tǒng)，可借助上位機實現(xiàn)對系統(tǒng)的完全控制。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作過程

上位機通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議發(fā)送編碼后的舵機轉(zhuǎn)動角度信息給主控芯片。主控芯片解碼后，I/O端口輸出信號通過74LVC4245芯片轉(zhuǎn)化為PWM驅(qū)動信號控制機器人舵機的轉(zhuǎn)動角度。其中，上位機中的角度信息會按照不同節(jié)目打包，通過發(fā)送具體的信息包來表演不同的節(jié)目；超聲波測距模塊控制機器人的絕對位置；上位機GUI交互界面控制遙控幕布，燈光系統(tǒng)，音樂系統(tǒng)等輔助設(shè)備，最終實現(xiàn)機器人皮影表演。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 機器人主控

主要采用ESP32芯片作為的主控芯片，ESP32芯片具備2.4 GHz Wi-Fi功能，可作為獨立系統(tǒng)運行應(yīng)用程序，其多達16路的硬件PWM輸出正好能夠滿足皮影機器人的舵機驅(qū)動需求。在工程中我們使用基于ESP32芯片設(shè)計的ESP32-WROOM模組，只需添加很少的外圍電路就能實現(xiàn)開發(fā)板的設(shè)計。同時ESP32具備Wi-Fi功能，因此可實現(xiàn)AP與SAT聯(lián)網(wǎng)模式，而且也支持MQTT等互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，可實現(xiàn)ESP32SAT模式接入局域網(wǎng)、并與電腦主機實現(xiàn)MQTT協(xié)議的通訊。隨后，ESP32將通過局域網(wǎng)接收到的包含動作序列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機器人的狀態(tài)信息，并及時將機器人的工作狀態(tài)等信息回傳到上位機。

2.1.2 電壓控制組

電壓控制組以降壓與電平轉(zhuǎn)換為主要方案。采用12V鋰電池供電，經(jīng)XL4016模組降壓到6 V左右達到舵機的驅(qū)動電壓，保證舵機正常運轉(zhuǎn)；再經(jīng)過LM2940芯片穩(wěn)壓至5.0 V給電平轉(zhuǎn)換芯片和超聲波測距模塊等電路供電；最后采用74LVC4245芯片將3.3 V的ESP32的I/O端口輸出信號轉(zhuǎn)換為5.0 V的PWM驅(qū)動信號，控制舵機轉(zhuǎn)動速度和具體角度，達到表演效果。電平轉(zhuǎn)換示意圖如圖2。

圖2 電平轉(zhuǎn)換示意圖

2.1.3 定位系統(tǒng)

采用HC-SR04超聲波測距模塊進行機器人在軌道上的定位（圖3）。使用ESP32給予模塊高電平信號啟動，模塊發(fā)送方波用于距離檢測，應(yīng)用方波的發(fā)射和返回的時間差，配合計算公式可計算大概距離，再通過限幅加權(quán)平均濾波算法進行數(shù)據(jù)處理，就可以得到機器人在軌道上的精確位置。最終誤差會在1 cm之內(nèi)。

圖3 定位系統(tǒng)示意圖

2.2.4 輔助設(shè)備

采用電磁繼電器控制大功率燈珠，可以讓上位機控制燈光的狀態(tài)，同時加上手動開關(guān)，實現(xiàn)自動和手動兩種控制。采用AOD4184功率NMOS管模塊對燈條進行控制，通過上位機可根據(jù)劇情調(diào)節(jié)燈光的亮度，也可實現(xiàn)呼吸燈效果。

2.2 軟件部分

2.2.1 服務(wù)器搭建

上位機與機器人主控板之間借助MQTT傳輸協(xié)議進行通信，MQTT是基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、開放、穩(wěn)定的特點，可以實現(xiàn)一對多的消息發(fā)布。采用EMQX搭建MQTT的服務(wù)器，EMQX是物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議服務(wù)器，可以支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的大并發(fā)數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.2.2 上位機通信

上位機采用Python進行編程，搭建客戶端，實現(xiàn)與服務(wù)器的無線通信，進行動作序列和演出統(tǒng)籌等信息的傳輸。應(yīng)用socket標(biāo)準(zhǔn)庫建立UDP連接，應(yīng)用paho-mqtt庫實現(xiàn)MQTT的訂閱端和發(fā)布端。使用約定的端口號接收UDP廣播，獲取遙控器所發(fā)送的指令和MQTT傳輸協(xié)議所需要的主題信息。編寫濾波算法對遙控器指令進行處理，根據(jù)得到的不同指令調(diào)用開場、表演、謝幕等不同的函數(shù)。使用threading模塊實現(xiàn)多線程，可以同時處理多個任務(wù)。另外，利用線程threading庫中Event對象的wait方法實現(xiàn)阻塞效果，可以很好地實現(xiàn)整體程序的暫停、恢復(fù)、停止。

2.2.3 GUI界面

GUI交互界面的設(shè)計，成功實現(xiàn)人機交互。采用Tkinter 標(biāo)準(zhǔn)庫進行GUI 的開發(fā)，便于應(yīng)用多種控件，采用place及pack等方式進行布局管理。界面操作選項多樣，包含播放、暫停、停止、音量大小、燈光亮度等選項。使用GUI交互界面，可以實現(xiàn)對表演系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

2.3 機械結(jié)構(gòu)

2.3.1 表演臺系統(tǒng)

表演戲臺是按照傳統(tǒng)戲臺樣式進行設(shè)計的，采用木制雕鏤結(jié)構(gòu)，配以吊墜進行裝飾，即含古風(fēng)古韻，又輕巧便捷。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)采用鋁合金框架進行搭建，整體質(zhì)量較輕，拆卸組裝十分簡單，便于運輸。燈光采用的是220V供電的LED燈設(shè)備。具體為額定功率15W的燈珠對兩個皮影進行投影，和燈珠排布密集的燈條，用于照亮背景景物。幕布采用全自動化的設(shè)計，可通過上位機控制實現(xiàn)自動開合,按照遙控系統(tǒng)的控制呈現(xiàn)開場、謝幕等效果。音響采用雙聲道立體聲揚聲器，可以通過上位機控制具體節(jié)目的音樂播放。機器人軌道采用小摩擦力輕軌軌道，減輕軸承負(fù)擔(dān)，提高使用壽命。

2.3.2 機器人設(shè)計

借鑒傳統(tǒng)的皮影表演，設(shè)計了三根控制皮影的表演桿，然后根據(jù)每根桿可能需要轉(zhuǎn)動到的角度，在設(shè)計機器人時，分配給手臂4個自由度，頭部2個自由度，保證機器人可以完美、精確地實現(xiàn)傳統(tǒng)皮影動作。

2.3.3 3D打印

應(yīng)用3D打印形成機器人與皮影的連接件和機器人與軌道的傳動軸承，保證機器人的運動能力和皮影與機器人動作的協(xié)調(diào)性。同時，設(shè)計固定底板把主控板電路與電壓控制組隱藏于密閉空間中，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，體現(xiàn)工程美學(xué)。系統(tǒng)如圖4所示。