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(pán)、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(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。

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)^[1]。家庭服務(wù)機(jī)器人是智能家居系統(tǒng)[2]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ZigBee技術(shù)低成本、低功耗的特點(diǎn)^[3]，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。

1 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(mén)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。

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(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?chē)系K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(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(pán)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。

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(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(mén)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。