基于A(yíng)RM的車(chē)間環(huán)境監測機器人設計

摘要：實(shí)驗驗證表明，在復雜的工業(yè)生產(chǎn)車(chē)間環(huán)境中，該機器人能很好地通過(guò)復雜的車(chē)間環(huán)境，完成車(chē)間環(huán)境監測任務(wù)，并且將環(huán)境數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)Wi-Fi模塊回傳給上位機，提供一種有效的車(chē)間無(wú)人監測方案，提升了工作效率，保證了人員和設備的安全。

在化工業(yè)、食品工業(yè)、紡織工業(yè)中為保障倉儲環(huán)境、工藝流程、設備性能等，對環(huán)境條件有一定要求，需要對車(chē)間的環(huán)境進(jìn)行監測，以保證生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行^[1-3]。在某些產(chǎn)業(yè)中，車(chē)間可能會(huì )產(chǎn)生一些污染物，對人員健康和設備造成損害，對這些污染物進(jìn)行監測也非常必要^[4]。

為解決上述問(wèn)題，文獻^[5]設計了基于STM32 和阿里云的智能環(huán)境檢測系統，但其采集節點(diǎn)相對固定，不夠靈活。文獻^[6]設計了一種環(huán)境信息采集智能車(chē)，但其底盤(pán)使用履帶，移動(dòng)速度和效率低，體積大不適用于車(chē)間環(huán)境。文獻^[7]使用傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監測，需布置大量傳感器和服務(wù)器系統，成本較高，不利于推廣。

本文為解決上述問(wèn)題，基于ARM 內核微處理器，設計了車(chē)間環(huán)境監測機器人。機器人使用二輪平衡底盤(pán)，具有高效率、靈活、移動(dòng)速度快、通過(guò)性能強的優(yōu)點(diǎn)。機器人搭載了氣體傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，攝像頭和Wi-Fi 圖傳模塊，姿態(tài)傳感器模塊。該機器人克服了以上缺點(diǎn)，具有很強的實(shí)用性，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

1 系統總體設計

機器人系統總體結構如圖1 所示，分為硬件層和軟件層。其中，硬件層包括運動(dòng)層，控制層，通信層和感知層。感知層主要包括監測采集環(huán)境信息的各種傳感器，控制層為基于ARM 核心的微控制器，運動(dòng)層包括機器人運動(dòng)的底盤(pán)電機等，通信層為Wi-Fi 圖傳模塊。

圖1 機器人總體結構圖

2 車(chē)間環(huán)境監測機器人系統硬件設計

機器人系統主控采用基于ARM 核心的STM32F407處理器，該系列MCU 具有豐富的外設接口和片上資源，突出的低功耗性能和豐富的開(kāi)發(fā)例程。MCU 負責與機器人硬件各層次通信和控制。包括機器人的運動(dòng)控制，電機電流指令發(fā)送，氣體傳感器，溫濕度傳感器數據的采集、處理，Wi-Fi 模塊的數據上傳控制。機體姿態(tài)傳感器的數據采集和處理。

2.1 電源模塊設計

系統需要3.3 V，5 V 和24 V 三種規格的電源，故使用24 V 鋰聚合物電池作為機器人系統的電力來(lái)源。系統的電源分為3 個(gè)層次：24 V 電源輸入、TPS54540同步降壓5 V 電源、MT2492 同步降壓3.3 V 電源。系統電源樹(shù)如圖所示。

圖2 機器人系統電源樹(shù)

圖3 TPS54540電源

MT2492 為西安航天民芯公司開(kāi)發(fā)的一款同步降壓轉換器，具有2 A 輸出電流，通過(guò)反饋電阻網(wǎng)絡(luò )配置輸出電壓，根據數據手冊提供的計算公式，將反饋電阻網(wǎng)絡(luò )配置為R_HS = 67.5 kΩ，R_LS =15 kΩ。

2.2 姿態(tài)傳感器模塊設計

機器人采用了平衡底盤(pán)，為保持底盤(pán)平衡直立，需測量機器人底盤(pán)姿態(tài)。姿態(tài)傳感器模塊使用MPU6050芯片進(jìn)行姿態(tài)檢測。該芯片是InvenSense 公司的IMU（慣性測量單元）產(chǎn)品，能同時(shí)檢測三軸加速度、角速度的運動(dòng)數據以及溫度數據。利用官方提供的DMP 庫可對傳感器數據進(jìn)行處理，直接通過(guò)加速度和角速度的運動(dòng)數據解算出三軸的歐拉角，直接獲得底盤(pán)Yaw，Pitch，Roll 三軸的姿態(tài)數據。在芯片DMP 單元完成姿態(tài)數據解算后，會(huì )通過(guò)INT 引腳觸發(fā)單片機中斷，然后通過(guò)I²C 接口將數據發(fā)送給單片機，在中斷服務(wù)函數中進(jìn)行姿態(tài)傳感器數據的接收。

圖4 姿態(tài)檢測模塊

2.3 氣體傳感器模塊設計

機器人具有有害氣體檢測功能，可以實(shí)時(shí)監控車(chē)間有害氣體濃度，有害氣體檢測使用了MQ135 氣體檢測模塊。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO₂)。當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)；傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135 傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監測也很理想。

通過(guò)集成的氣體傳感器模塊檢測電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的數字信號，通過(guò)電位器設置觸發(fā)閾值，當有害氣體濃度超過(guò)閾值后，模塊輸出高電平，單片機通過(guò)IO 直接讀取模塊信號輸出。

2.4 溫濕度傳感器模塊設計

為了保證生產(chǎn)需要，監測車(chē)間的溫濕度，機器人搭載了DHT12 溫濕度傳感器模塊，該模塊為集成了微處理器的數字信號輸出型傳感器。在傳感器內部同時(shí)集成了溫度傳感器，濕度傳感器和1 個(gè)8 位的高性能單片機。傳感器元件包括1 個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC 測溫元件。該模塊應用集成微處理器內部的模數轉換器進(jìn)行數據的采集，通過(guò)I²C 接口進(jìn)行數據輸出。該傳感器模塊成本低，可以同時(shí)進(jìn)行相對濕度和溫度測量，大大降低了機器人的生產(chǎn)成本。

2.5 Wi-Fi圖傳模塊設計

機器人需要進(jìn)行遠程操控和數據上傳，考慮到機器人在車(chē)間環(huán)境下工作，故選用Wi-Fi 攝像頭圖傳模塊，同時(shí)上傳攝像頭采集到的圖像和機器人數據。攝像頭圖傳模塊采用ESP32-CAM，模塊基于ESP32 微處理器，該處理器運算能力高達600DMIPS，該模塊集成了Wi-Fi 圖傳，串口傳輸和攝像頭，可以直接在上位機軟件進(jìn)行圖像和上傳數據的查看。模塊采用802.1.1 通信標準，傳輸速度可以達到150 bit/s。該模塊使用5 V 電源進(jìn)行供電，串口波特率設置為115 200，機器人傳感器數據上傳使用串口進(jìn)行傳輸，在使用時(shí)，將客戶(hù)端接入模塊的無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)，啟動(dòng)模塊配套的客戶(hù)端即可。

數據直接以字符串形式進(jìn)行傳輸，刷新頻率為20 Hz，既保證了數據上傳實(shí)時(shí)性，也避免占用過(guò)多上傳信道帶寬。在串口上傳的數據中，/n 為數據的起始位，“有害氣體”，“溫度”，“濕度”為數據名稱(chēng)，數據名稱(chēng)后接數字即為該數據的值。

3 車(chē)間環(huán)境監測機器人系統軟件設計

機器人系統的軟件部分包括初始化程序，傳感器數據采集程序，上位機數據上傳程序，遙控程序，底盤(pán)控制程序。

因機器人軟件包含多個(gè)線(xiàn)程，故軟件系統基于Freertos 開(kāi)發(fā)，通過(guò)Freertos 的時(shí)間片調度功能，實(shí)現毫秒級時(shí)間尺度上的并行處理。

軟件初始化程序對單片機各個(gè)外設進(jìn)行初始化，使各個(gè)傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)，初始化Freertos，運行各個(gè)線(xiàn)程。

傳感器數據采集程序將各個(gè)傳感器采集到的數據進(jìn)行處理，處理成字符串后通過(guò)串口發(fā)送到上位機。

遙控程序將通過(guò)串口采集的數據設置機器人底盤(pán)的運動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現機器人底盤(pán)的運動(dòng)控制。

底盤(pán)控制程序通過(guò)底盤(pán)控制器控制底盤(pán)的運動(dòng)。

3.1 底盤(pán)控制器設計

平衡底盤(pán)使用底盤(pán)控制器進(jìn)行底盤(pán)的運動(dòng)控制，為保證底盤(pán)的通過(guò)性能和穩定性，采用了滑?？刂坪蚉ID控制相結合的方法。底盤(pán)控制器采用滑?？刂破鬟M(jìn)行平衡底盤(pán)角度的鎮定，PID 控制器進(jìn)行平衡底盤(pán)速度的鎮定，滑?？刂破骱蚉ID 控制器組成了一個(gè)串級結構?？刂破鹘Y構框圖如圖5 所示。

圖5 控制器結構框圖

數字式PID 控制器可通過(guò)連續域的PID 控制器離散化得到，在此使用梯形法進(jìn)行離散化得到。

4 車(chē)間環(huán)境監測機器人測試

為了對機器人的總體功能和通過(guò)性能進(jìn)行驗證，選擇了實(shí)驗室環(huán)境對機器人功能進(jìn)行驗證。

首先對機器人的通過(guò)性能進(jìn)行實(shí)驗。模擬車(chē)間的道路環(huán)境，在機器人前進(jìn)的路徑上設置了高度為150 mm的落差，觀(guān)察到的機器人運動(dòng)姿態(tài)如圖6 所示：

圖6 通過(guò)落差的機器人姿態(tài)

機器人在通過(guò)落差時(shí)，由于受到落差的干擾，姿態(tài)發(fā)生了偏移，接觸地面后即很快恢復了直立穩定狀態(tài)。

對機器人的數據采集功能進(jìn)行測試。將機器人通電后再將機器人置于實(shí)驗室環(huán)境中進(jìn)行測試，通過(guò)Wi-Fi模塊建立系統與上位機的聯(lián)系，使機器人數據采集和上傳功能處于正常工作狀態(tài)。在上位機采集到的回傳數據如圖7 所示：

圖7 上位機采集的傳感器數據

機器人通過(guò)Wi-Fi 模塊的串口通信功能，將數據回傳給機器人的上位機，實(shí)現了環(huán)境數據采集上傳功能。

5 結束語(yǔ)

基于A(yíng)RM 內核微處理器，設計了車(chē)間環(huán)境監測機器人的軟硬件系統，經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，機器人底盤(pán)具有較強的通過(guò)性能，可以適應復雜的車(chē)間環(huán)境。機器人通過(guò)搭載的傳感器進(jìn)行環(huán)境數據測量，能夠及時(shí)地回傳采集到的數據，完成車(chē)間環(huán)境監測任務(wù)，具有很強的實(shí)用性，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程車(chē)間中的環(huán)境監測需求，為工業(yè)生產(chǎn)提供了保障。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）