基于STM32的家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

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單的避障能力等問題，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)行開發(fā)，采集傳感器模塊數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與XBee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。

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)的一個重要組成部分，在生活中的作用越來越重要。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。也有一些研究將問題復(fù)雜化，反而走了更多的彎路。

針對當(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，簡化了定位方式，有效地利用了ZigBee技術(shù)低成本、低功耗的特點(diǎn)[3]，設(shè)計(jì)出一個合適大小的輪式機(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。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個家庭服務(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)對象運(yùn)送物品，是整個系統(tǒng)的核心部分。XBee協(xié)調(diào)器是基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸模塊，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。

2 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，讀取智能地板RFID定位信息，將該實(shí)時位置信息上傳到上位機(jī)，以顯示機(jī)器人運(yùn)動軌跡。機(jī)器人通過傳感器模塊檢測自身姿態(tài)和周圍障礙物情況，自主決策移動至目標(biāo)位置抓取物品，運(yùn)送到最終目標(biāo)位置給服務(wù)對象使用。其中，輪式機(jī)器人是整個系統(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)器是最先啟動的XBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，主要完成XBee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)位后對包括硬件和軟件的各個模塊進(jìn)行初始化。然后，開始掃描信道、進(jìn)行能量檢測、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)聽狀態(tài)，等待子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求信號，收到入網(wǎng)請求后協(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，啟動輪式機(jī)器人，在收到來自子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求后，將接收數(shù)據(jù)并通過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房間之間，準(zhǔn)確和高效地執(zhí)行用戶對象發(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。紅外傳感器檢測機(jī)器人所處環(huán)境的障礙物距離，主板控制啟動由左右兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)組成的移動輪。機(jī)器人通過自主決策規(guī)劃路徑，移動至目標(biāo)位置，啟動機(jī)械臂抓取物品，其中機(jī)械臂由多個角度舵機(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。

3 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[4] 。將機(jī)器人系統(tǒng)分為五個部分：主板、傳感器模塊、無線射頻模塊、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)和移動輪舵機(jī)，機(jī)械臂由角度舵機(jī)和金屬桿件組成。五個角度舵機(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)械臂動作精度，采用HS-322HD角度舵機(jī)。移動輪舵機(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)動控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動控制設(shè)計(jì)包括各個模塊的初始化、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，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作。五個紅外傳感器數(shù)據(jù)使機(jī)器人時刻掌握周圍環(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。

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。如果起始位置和目標(biāo)位置分別在兩個房間，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，需要調(diào)整路徑規(guī)劃策略，此時放棄全局路徑規(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，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?？傊?，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。