基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.2 傳感器模塊

　　傳感器模塊由傳感器和相應(yīng)的信號調(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)過程中檢測障礙物距離的精度要求，紅外傳感器采用的型號為Sharp GP2D12，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28140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無線模塊和XBee USB適配板組成。XBee USB適配板是專門為XBee無線模塊配套設(shè)計(jì)，通過使用該模塊，可以在PC機(jī)使用配套的X-CTU軟件對XBee無線模塊進(jìn)行配置及串口通訊監(jiān)控。XBee協(xié)調(diào)器通過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讀卡器對電流要求較高，因此主板和RFID讀卡器分開使用雙電源供電。

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)位置的無碰撞最優(yōu)路徑;后者由于環(huán)境信息是未知的[5]，需考慮局部的特定情況來進(jìn)行路徑調(diào)整。

　　機(jī)器人移動(dòng)過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)，否則就說明機(jī)器人沒有按預(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、房門位置搜索和過房門策略分析。在機(jī)器人移動(dòng)過程中，需要不斷探測周圍環(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)器人不能順利通過某一位置，而在這一點(diǎn)附近反復(fù)來回走動(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)器人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)器人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)器人順利穿過房門是任務(wù)成功的關(guān)鍵。機(jī)器人準(zhǔn)備過房門時(shí)并不是正對房門，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)器人檢測相對應(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)器人正對房門并順利通過。

4 結(jié)束語

　　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XBee模塊的主流無線通信技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)的傳輸速率。此外，對輪式機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單和性能穩(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)。總之，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)對家庭服務(wù)機(jī)器人相關(guān)問題的解決提供了可借鑒的方法。

參考文獻(xiàn)：

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　　[4]應(yīng)鵬,宮晨.開放式多傳感器移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2009,37(7):137-140

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