機電一體化的智能皮影表演系統*

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

作者簡(jiǎn)介：**通信作者：王新懷，男，博士，副教授/博導，研究方向：微波毫米波電路與系統設計、智能天線(xiàn)與天線(xiàn)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設計、實(shí)時(shí)信號處理系統設計等領(lǐng)域。

崔鑫，段清原，范浩揚，電子工程學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)。

王澤遠，微電子學(xué)院微電子科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)。

0   引言

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

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

1   系統設計

1.1 系統組成部分

本系統整體可分為4 部分： 第1 部分負責機器人控制，包括以ESP32為核心的舵機控制系統、以74LVC4245等芯片組成的電壓控制系統和以超聲波測距模塊為核心的定位系統；第2部分是通信系統，其實(shí)現基于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部分為機械結構，包括機器人結構，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備，包括可遙控幕布，音響、燈光系統和GUI交互界面等。

通過(guò)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(wèn)題；應用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(dòng)裝置；完善的機器人自由度設計可以完美的實(shí)現傳統皮影表演的各種動(dòng)作。通過(guò)各個(gè)功能的有機結合，最終實(shí)現了機電一體化的智能皮影表演系統，可借助上位機實(shí)現對系統的完全控制。系統組成結構如圖1所示。

1.2 系統工作過(guò)程

上位機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議發(fā)送編碼后的舵機轉動(dòng)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(guò)74LVC4245芯片轉化為PWM驅動(dòng)信號控制機器人舵機的轉動(dòng)角度。其中，上位機中的角度信息會(huì )按照不同節目打包，通過(guò)發(fā)送具體的信息包來(lái)表演不同的節目；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，音樂(lè )系統等輔助設備，最終實(shí)現機器人皮影表演。

圖1 系統框架圖

2   系統功能實(shí)現

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，可作為獨立系統運行應用程序，其多達16路的硬件PWM輸出正好能夠滿(mǎn)足皮影機器人的舵機驅動(dòng)需求。在工程中我們使用基于ESP32芯片設計的ESP32-WROOM模組，只需添加很少的外圍電路就能實(shí)現開(kāi)發(fā)板的設計。同時(shí)ESP32具備Wi-Fi功能，因此可實(shí)現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(shí)現ESP32SAT模式接入局域網(wǎng)、并與電腦主機實(shí)現MQTT協(xié)議的通訊。隨后，ESP32將通過(guò)局域網(wǎng)接收到的包含動(dòng)作序列的數據轉化為機器人的狀態(tài)信息，并及時(shí)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左右達到舵機的驅動(dòng)電壓，保證舵機正常運轉；再經(jīng)過(guò)LM2940芯片穩壓至5.0 V給電平轉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端口輸出信號轉換為5.0 V的PWM驅動(dòng)信號，控制舵機轉動(dòng)速度和具體角度，達到表演效果。電平轉換示意圖如圖2。

圖2 電平轉換示意圖

2.1.3 定位系統

采用HC-SR04超聲波測距模塊進(jìn)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(dòng)，模塊發(fā)送方波用于距離檢測，應用方波的發(fā)射和返回的時(shí)間差，配合計算公式可計算大概距離，再通過(guò)限幅加權平均濾波算法進(jìn)行數據處理，就可以得到機器人在軌道上的精確位置。最終誤差會(huì )在1 cm之內。

圖3 定位系統示意圖

2.2.4 輔助設備

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(shí)加上手動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制。采用AOD4184功率NMOS管模塊對燈條進(jìn)行控制，通過(guò)上位機可根據劇情調節燈光的亮度，也可實(shí)現呼吸燈效果。

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(jìn)行通信，MQTT是基于客戶(hù)端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、開(kāi)放、穩定的特點(diǎn)，可以實(shí)現一對多的消息發(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)數據的大并發(fā)數據收發(fā)。

2.2.2 上位機通信

上位機采用Python進(jìn)行編程，搭建客戶(hù)端，實(shí)現與服務(wù)器的無(wú)線(xiàn)通信，進(jìn)行動(dòng)作序列和演出統籌等信息的傳輸。應用socket標準庫建立UDP連接，應用paho-mqtt庫實(shí)現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(xiě)濾波算法對遙控器指令進(jìn)行處理，根據得到的不同指令調用開(kāi)場(chǎng)、表演、謝幕等不同的函數。使用threading模塊實(shí)現多線(xiàn)程，可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。另外，利用線(xiàn)程threading庫中Event對象的wait方法實(shí)現阻塞效果，可以很好地實(shí)現整體程序的暫停、恢復、停止。

2.2.3 GUI界面

GUI交互界面的設計，成功實(shí)現人機交互。采用Tkinter 標準庫進(jìn)行GUI 的開(kāi)發(fā)，便于應用多種控件，采用place及pack等方式進(jìn)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(shí)現對表演系統的統一控制。

2.3 機械結構

2.3.1 表演臺系統

表演戲臺是按照傳統戲臺樣式進(jìn)行設計的，采用木制雕鏤結構，配以吊墜進(jìn)行裝飾，即含古風(fēng)古韻，又輕巧便捷。內部支撐結構采用鋁合金框架進(jìn)行搭建，整體質(zhì)量較輕，拆卸組裝十分簡(jiǎn)單，便于運輸。燈光采用的是220V供電的LED燈設備。具體為額定功率15W的燈珠對兩個(gè)皮影進(jìn)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(dòng)化的設計，可通過(guò)上位機控制實(shí)現自動(dòng)開(kāi)合,按照遙控系統的控制呈現開(kāi)場(chǎng)、謝幕等效果。音響采用雙聲道立體聲揚聲器，可以通過(guò)上位機控制具體節目的音樂(lè )播放。機器人軌道采用小摩擦力輕軌軌道，減輕軸承負擔，提高使用壽命。

2.3.2 機器人設計

借鑒傳統的皮影表演，設計了三根控制皮影的表演桿，然后根據每根桿可能需要轉動(dòng)到的角度，在設計機器人時(shí)，分配給手臂4個(gè)自由度，頭部2個(gè)自由度，保證機器人可以完美、精確地實(shí)現傳統皮影動(dòng)作。

2.3.3 3D打印

應用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(dòng)軸承，保證機器人的運動(dòng)能力和皮影與機器人動(dòng)作的協(xié)調性。同時(shí)，設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，提高系統穩定性，體現工程美學(xué)。系統如圖4所示。

圖4 實(shí)現的系統整機

3   結論

本皮影表演系統具有機電一體化和輕便可拆卸等特點(diǎn)，其硬件與軟件各部分都已經(jīng)過(guò)實(shí)際測試且正常運行。機器人與皮影的結合表演，具有一定的文化創(chuàng )意，符合弘揚文化自信的潮流和智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）