SwarmUS群體機(jī)器人平臺

PCB圖如下：

描述

SwarmUS - 一個群體機(jī)器人平臺

團(tuán)隊

SwarmUS 是一個由 9 名來自舍布魯克大學(xué)的工程專業(yè)學(xué)生組成的團(tuán)隊，他們的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)時間定于 2021 年 12 月結(jié)束。SwarmUS 在工程領(lǐng)域擁有多學(xué)科專業(yè)知識，因為其成員來自計算機(jī)、電氣和機(jī)器人工程。

該項目

該項目旨在建立一個開放的軟件和硬件平臺（分別為 Hivemind 和 Hiveboard），允許實施機(jī)器人群，從異構(gòu)機(jī)器人和 Android 智能手機(jī)進(jìn)行同步定位和映射 (SLAM)[1]。Android 手機(jī)可以用作增強(qiáng)現(xiàn)實界面來查看生成的共享地圖，也可以用作機(jī)器人群的控制界面。這項技術(shù)突破正在一個重大工程設(shè)計項目中進(jìn)行，并將在 2021 年 MegaGéNIALE 博覽會上展示。該項目本質(zhì)上是學(xué)術(shù)性的，將由機(jī)器人研究小組 IntRoLab[3] 的 3IT[2] 的客戶使用。

什么是 MégaGéNIALE 博覽會？

MégaGéNIALE Expo 是加拿大最大的大學(xué)工程項目展覽。這是一個獨特的機(jī)會來發(fā)現(xiàn)每個工程領(lǐng)域的畢業(yè)生的工作，即：建筑、土木、化學(xué)、生物技術(shù)、電氣、計算機(jī)、機(jī)械和機(jī)器人技術(shù)。該活動每年吸引約 4,000 人參加。有關(guān)活動的更多信息和往年活動的照片，請訪問以下頁面：

機(jī)器人部分

先鋒 2DX 機(jī)器人

SwarmUS 團(tuán)隊的任務(wù)是更新其客戶實驗室 (IntRoLab) 未使用的兩臺舊 Pioneer 2DX。這些機(jī)器人不僅會返還給客戶，還會作為基準(zhǔn)測試來測試我們的 swarm 平臺。由于這些機(jī)器人的電子設(shè)備和軟件已經(jīng)過時，因此需要對該機(jī)器人進(jìn)行全面升級，只保留底盤和電機(jī)。

力量

機(jī)器人由 12V GOOLOO GP37-Plus LiPo 電池供電。這些電池具有一些內(nèi)部保護(hù)和集成充電器，從而簡化了圍繞機(jī)器人電源的設(shè)計。但是，需要額外的欠壓保護(hù)，以防止機(jī)器人將電池電量耗盡至低于 LiPo 電池的電壓限制。

欠壓鎖定板

然后，該團(tuán)隊設(shè)計了一個包含欠壓鎖定 (UVLO) 和電壓監(jiān)控電路的定制 PCB。該解決方案在電壓降至選定閾值以下時會發(fā)出高音，并在另一個較低閾值以下打開主電源繼電器。

電力調(diào)配

電源樹分為 3 個主要部分：12V 主電源、12V 電機(jī)電源和 5V 計算機(jī)電源。一個由撥動開關(guān)和 UVLO 板控制的主繼電器將電池連接到 12V 主電源，該主電源反過來為 5V@5A 穩(wěn)壓器和另一個控制電機(jī)電源的繼電器供電。電機(jī)繼電器由紅色蘑菇按鈕控制，可在緊急情況下輕松切斷電機(jī)的 12V 電源。5V 穩(wěn)壓器為主計算機(jī)和所有機(jī)器人傳感器供電。

傳感器、計算機(jī)和電機(jī)控制器

機(jī)器人大腦是在 Linux 20.04.1 LTS 上運行的 Raspberry Pi 4 4GB。為了感知其環(huán)境，機(jī)器人配備了 RPLidar A2M8 以可視化其周圍的障礙物，并配備了 Realsense D435i 或 Realsense D455，具體取決于機(jī)器人，以獲得其前方場景的視覺和深度信息。除了傳感器之外，BasicMicro 的 RoboClaw 2x60A 還用作電機(jī)控制器，因為它具有內(nèi)置保護(hù)、PID 控制和正交編碼器讀取功能。電機(jī)控制器和所有傳感器通過 USB 連接到 Rasberry Pi。此外，Hiveboard 和 BeeBoards 被集成到機(jī)器人中，并通過以太網(wǎng)連接到 Raspberry Pi，為機(jī)器人提供必要的硬件來加入一個群體。

機(jī)械改裝

電子元件和計算機(jī)由采用激光切割技術(shù)制成的木板進(jìn)行維護(hù)，以完美貼合機(jī)器人狹窄的內(nèi)部。機(jī)器人的傳感器支撐和側(cè)面板是 3D 打印的，為我們在設(shè)計過程中提供了更大的靈活性。

機(jī)器人軟件

Raspberry Pi 在 ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）中間件中運行所有機(jī)器人的軟件。在傳感器、導(dǎo)航堆棧和 RTAB-Map 的幫助下，機(jī)器人可以在其環(huán)境中移動，同時對其進(jìn)行映射并在其中定位自己。團(tuán)隊制作了額外的 ROS 包，以將 ROS 環(huán)境連接到在 HiveBoard 上運行的 HiveMind，讓群體行為控制機(jī)器人。

我們的一個機(jī)器人制作的地圖

硬件部分

以下部分將詳細(xì)介紹 SwarmUS 項目的 3 塊 PCB：

· HiveSight：Decawave 超寬帶 (UWB) 集成電路 (IC) DW1000 的測試平臺

· Hiveboard：上一次迭代的中心板

· BeeBoard：UWB“傳感器”

HiveSight

如前所述，HiveSight 是團(tuán)隊的測試平臺。它證實該團(tuán)隊可以使用我們可以使用的設(shè)施來制作功能正常的 PCB（從設(shè)計到測試）。它也是 UWB 技術(shù)的測試平臺。讓我們回顧一下董事會：

1、保護(hù)：具有過壓、過流、反極性功能

2. USB：USB IC打開一個COM端口用于調(diào)試目的。它連接到 u-USB 端口

3. 3V3&1V8 Gen：板載 3v3 和 1v8 電源軌生成。1.8V 來自 3.3V 電源軌。板上的所有組件都使用 3.3V 電源軌。只有 Decawave IC DW1000 使用 1.8V 電源軌。

4. IMU：慣性測量單元

5. WROOM 復(fù)位：ESP32-WROOM 的物理按鈕（位于 PCB 的底部） ESP32-WROOM 是一個 Wi-Fi IC。

6. Flash 32k：32 Kb閃存。由我們的 ESP32 定制解決方案使用。

7. ESP32：ESP32（Wi-Fi IC）的自定義實現(xiàn)。此實現(xiàn)用于在我們的自定義實現(xiàn)和 WROOM IC 之間進(jìn)行比較。

8. CLK Gen：為 DW1000 生成 38.4MHz 時鐘。還包括兩個 DW1000 的同步信號。

9. DW1000：超寬帶IC。用于定位其他 HiveSight 的距離和角度。每個 DW100 有 4 個 LED 用于調(diào)試目的。

我們對 DW1000s 的實施基于 decawave 發(fā)布的白皮書，并且在我編寫這些行時正在由我們的團(tuán)隊進(jìn)行測試。但是，我們確實設(shè)法在設(shè)計中發(fā)現(xiàn)了一些錯誤。

5V 電源軌可以來自 2 個不同的地方：

· 從左上角的綠色連接器

· 從 u-USB 連接器

此外，3.3V 電源可以來自 3V3 電源軌或由 Nucleo 供電。Hivesight 還可以為 Nucleo 提供 5V 或 3.3V 電壓。然而，在測試我們的設(shè)計時，我們注意到當(dāng) Nucleo 向 HveSight 提供 3V3 電壓時，它會閃爍過電流警告。我們建議為 HiveSight 使用單獨的（如綠色連接器/u-USB 連接器）電源。

HiveSight 和 Nucleo 之間的 SPI 通信有點不足，因為我們在布線時沒有正確處理 SPI 線路（從上到下變化太多），并且接地回路不是最小的。我們沒有正確連接 HiveSight 的每個連接器的接地，這會減慢 SPI 總線。我們可以做的總線的最大速度是 1Mbit/s 的數(shù)據(jù)。

到COM口IC的USB線切換了正負(fù)數(shù)據(jù)線，導(dǎo)致COM口出錯。我們建議通過移除 ESD 保護(hù)并焊接一些導(dǎo)線來更改設(shè)計或以正確的順序放置數(shù)據(jù)線。在我們的實現(xiàn)中，這是我們使用的方法，并在頂部涂上熱膠以防止意外斷開連接。

此外，IMU 從未安裝在我們的版本上，因為足跡沒有焊膏開口，因此沒有焊料，并且該部件從未連接到電路板。這個簡單的錯誤將在下一個實現(xiàn)中修復(fù)：Hiveboard。

HiveSight 設(shè)計用于與 STM32F429ZIT Nucleo 一起使用（盡管絲印上提到了 STM32F426，這是我們的另一個錯誤）。

所有文件（原理圖、BOM、PCB、Gerbers）都在 Github 鏈接中。

更多詳情：https ://github.com/SwarmUS

代碼

Git 上的代碼

https:///www.github.com/swarmus