基于STM32的家庭服務(wù)機器人系統設計

摘要：為解決當前大部分家庭服務(wù)機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，本文設計一種基于STM32的家庭服務(wù)機器人系統。整個(gè)系統由輪式機器人、XBee協(xié)調器、RFID智慧地板和上位機組成。輪式機器人由主板、傳感器模塊、射頻模塊、舵機模塊、電源模塊和機器人金屬主體組成，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內核微處理器STM32F103VCT6為核心進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采集傳感器模塊數據信息，實(shí)現機器人與XBee協(xié)調器之間的通信連接。該系統在模擬智能家居的環(huán)境下通過(guò)自主決策穩定和高效地完成設定任務(wù)，能夠滿(mǎn)足家庭服務(wù)機器人的應用要求。

引言

　　隨著(zhù)人工智能和傳感器技術(shù)的發(fā)展，機器人已從工廠(chǎng)的結構化環(huán)境進(jìn)入人們的日常生活環(huán)境，機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)或在人的指導下完成任務(wù)^[1]。家庭服務(wù)機器人是智能家居系統[2]的一個(gè)重要組成部分，在生活中的作用越來(lái)越重要。當前，大部分的家庭服務(wù)機器人不具備行走功能或只具有簡(jiǎn)單的避障能力，機器人的研究很多依賴(lài)于仿真實(shí)現，但是現實(shí)情況和仿真結果可能大相徑庭。也有一些研究將問(wèn)題復雜化，反而走了更多的彎路。

　　針對當前家庭服務(wù)機器人的不足和現代智能服務(wù)機器人的要求，本文提出一種基于STM32的家庭服務(wù)機器人系統的設計方案。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]，設計出一個(gè)合適大小的輪式機器人進(jìn)行試驗，試驗結果表明機器人能夠實(shí)現預期目標并體現出較強的自主決策能力。

1 系統整體設計方案

　　整個(gè)家庭服務(wù)機器人系統主要由四部分組成，包括鋪滿(mǎn)RFID智慧地板的模擬智能家居環(huán)境、移動(dòng)的輪式機器人、XBee協(xié)調器以及上位機。

　　智能家居環(huán)境設計長(cháng)為3.25米，寬為2米，鋪滿(mǎn)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器人提供準確定位。輪式機器人負責往返廚房與客廳之間給服務(wù)對象運送物品，是整個(gè)系統的核心部分。XBee協(xié)調器是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，負責數據快速穩定地傳遞。上位機主要負責數據的接收、處理和控制指令的下達等。

2 系統工作原理和流程

　　系統的主要工作流程是：上位機輸入任務(wù)命令，該命令通過(guò)XBee協(xié)調器發(fā)送給輪式機器人。機器人收到任務(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，以顯示機器人運動(dòng)軌跡。機器人通過(guò)傳感器模塊檢測自身姿態(tài)和周?chē)系K物情況，自主決策移動(dòng)至目標位置抓取物品，運送到最終目標位置給服務(wù)對象使用。其中，輪式機器人是整個(gè)系統設計的重點(diǎn)。

2.1 XBee協(xié)調器工作流程

　　XBee協(xié)調器是最先啟動(dòng)的XBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，主要完成XBee網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)功能和數據的收發(fā)功能，其中組網(wǎng)功能包括XBee網(wǎng)絡(luò )的建立和子節點(diǎn)的入網(wǎng)。

　　首先，在XBee協(xié)調器上電復位后對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、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)調器進(jìn)入監聽(tīng)狀態(tài)，等待子節點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求信號，收到入網(wǎng)請求后協(xié)調器允許子節點(diǎn)入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò )短地址給子節點(diǎn)，這就實(shí)現了節點(diǎn)的入網(wǎng)功能。最后，XBee協(xié)調器將上位機數據發(fā)送給子節點(diǎn)射頻模塊，啟動(dòng)輪式機器人，在收到來(lái)自子節點(diǎn)的數據請求后，將接收數據并通過(guò)串口線(xiàn)傳輸給上位機，這就是數據的收發(fā)功能。

2.2 輪式機器人工作流程

　　輪式機器人是任務(wù)的執行設備，往返于廚房和客廳兩個(gè)房間之間，準確和高效地執行用戶(hù)對象發(fā)送的各種命令任務(wù)，并發(fā)送機器人坐標數據給XBee協(xié)調器進(jìn)行以下工作。

　　首先，輪式機器人上的XBee模塊需要初始化和發(fā)送入網(wǎng)請求，實(shí)現節點(diǎn)入網(wǎng)。然后，XBee模塊接收XBee協(xié)調器傳輸的任務(wù)命令數據，主板對各傳感器模塊初始化。RFID讀卡器讀取智能地板坐標數據，發(fā)送給XBee協(xié)調器。電子羅盤(pán)獲取機器人當前的姿態(tài)信息。紅外傳感器檢測機器人所處環(huán)境的障礙物距離，主板控制啟動(dòng)由左右兩個(gè)連續旋轉舵機組成的移動(dòng)輪。機器人通過(guò)自主決策規劃路徑，移動(dòng)至目標位置，啟動(dòng)機械臂抓取物品，其中機械臂由多個(gè)角度舵機組成。在機械臂保持抓取物品的狀態(tài)下，再次規劃路徑移動(dòng)至最終地點(diǎn)，機械臂準確將物品放在目標位置。完成任務(wù)后機器人回到起始位置，進(jìn)入休眠模式。

3 關(guān)鍵環(huán)節設計

3.1 機器人硬件結構設計

　　輪式機器人采用模塊化的設計原則，使機器人的設計為模塊化方式，并采用分層控制，有利于綜合性能的發(fā)揮^[4] 。將機器人系統分為五個(gè)部分：主板、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)射頻模塊、舵機模塊和電源模塊。輪式機器人的結構框圖如圖1所示。

3.1.1 主板

　　主板是針對該輪式機器人設計，采用ARM Cortex-M3內核的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。

　　主板的設計專(zhuān)門(mén)為射頻模塊、傳感器模塊和機械臂模塊提供了接口，簡(jiǎn)化了電路結構，使控制器集成度更高，運行更加穩定和高效，從而節約硬件成本。