基于STM32的家庭服务机器人系统设计
编者按：为解决当前大部分家庭服务机器人不具备行走功能或只具有简单的避障能力等问题，本文设计一种基于STM32的家庭服务机器人系统。整个系统由轮式机器人、XBee协调器、RFID智慧地板和上位机组成。轮式机器人由主板、传感器模块、射频模块、舵机模块、电源模块和机器人金属主体组成，传感器模块包括电子罗盘、红外传感器和RFID读卡器。主板以ARM Cortex-M3内核微处理器STM32F103VCT6为核心进行开发，采集传感器模块数据信息，实现机器人与XBee协调器之间的通信连接。该系统在模拟智能家居的环境下通过自主
3.1.2 传感器模块
传感器模块由传感器和相应的信号调理电路组成。轮式机器人使用的传感器包括红外传感器、电子罗盘和RFID读卡器。根据轮式机器人移动过程中检测障碍物距离的精度要求，红外传感器采用的型号为Sharp GP2D12，分别安装在机器人前方、左前方、右前方、左侧和右侧五个位置。电子罗盘采用GY-80九轴模块中的HMC5883L三轴电子罗盘，可以在复杂环境下测得准确方位值，抗磁电干扰能力较强。RFID读卡器采用Parallax公司的低频段28140读卡器，可读取125kHz标签。
3.1.3 射频模块
射频模块是设备之间通信的主要模块，负责整个网络的数据传输工作。射频模块采用基于ZigBee技术的XBee无线传输模块，该模块覆盖面积大且易于配置，是机器人通讯组网的不错选择。
XBee协调器由XBee无线模块和XBee USB适配板组成。XBee USB适配板是专门为XBee无线模块配套设计，通过使用该模块，可以在PC机使用配套的X-CTU软件对XBee无线模块进行配置及串口通讯监控。XBee协调器通过USB线与上位机连接通信。
3.1.4 舵机模块
舵机模块分为机械臂舵机和移动轮舵机，机械臂由角度舵机和金属杆件组成。五个角度舵机构成五自由度机械臂，尺寸大小与搭建智能家居环境匹配，为保证机械臂动作精度，采用HS-322HD角度舵机。移动轮舵机使用Parallax连续旋转舵机。
3.1.5 电源模块
根据各个组成部分工作的场合和特点的不同，采用不同的供电模式，轮式机器人采用电池供电的模式，而XBee协调器则要一直保持工作状态，所以采用上位机USB供电的模式。电源模块与主板相连，而主板留有接口给传感器模块、射频模块和舵机模块，通过接口给传感器模块、射频模块和舵机模块进行供电。由于RFID读卡器对电流要求较高，因此主板和RFID读卡器分开使用双电源供电。
3.2 机器人软件设计
3.2.1驱动控制设计
驱动控制设计包括各个模块的初始化、模块之间的通信和上位机软件设计。该文采用与STM32F103VCT6配套的MDK-ARM作为开发环境，完成各个模块初始化和通信，上位机软件采用VC++开发。具体的各个模块软件实现的功能及工作流程在系统的工作原理和流程中已经介绍，这里不再叙述。
3.2.2 路径规划
路径规划主要可分为全局路径规划和局部路径规划，前者是指在环境信息完全已知的情况下，机器人规划一条从初始位置到目标位置的无碰撞最优路径;后者由于环境信息是未知的[5]，需考虑局部的特定情况来进行路径调整。
机器人移动过程中利用电子罗盘进行姿态调整，即调整前进方向，努力寻找一条最快捷的路径到达目标位置。机器人姿态调整主要取决于当前位置和前一位置与目标位置的距离，包括横向距离和纵向距离。若当前位置与目标位置的横向距离和纵向距离分别小于或者等于前一位置与目标位置的横向距离和纵向距离，表明机器人与目标位置的距离在逐渐缩小，机器人在朝目标位置前进，否则就说明机器人没有按预期的轨迹前进，需要再次进行姿态调整。姿态调整示意图如图2所示。
局部路径规划包括避障处理、振荡位置分析、房门位置搜索和过房门策略分析。在机器人移动过程中，需要不断探测周围环境，从而更好地决定下一步动作。五个红外传感器数据使机器人时刻掌握周围环境，避障处理要求机器人合理避开障碍物，向目标位置移动。
振荡位置指的是机器人不能顺利通过某一位置，而在这一点附近反复来回走动。如果起始位置和目标位置分别在两个房间，在全局路径规划思想的指导下，机器人会在两间房的公用墙边不断徘徊。振荡位置分析示意图如图3所示。
当机器人到达振荡位置时，需要调整路径规划策略，此时放弃全局路径规划策略，选择直接以公用墙为基准墙搜索房门。沿墙走算法的基本规则是：当机器人不断靠近墙面时需要调整两轮速差使机器人朝偏离墙面的方向前进;当机器人不断远离墙面时，则需要调整两轮速差，使机器人朝靠近墙面的方向前进。综合调整的结果是机器人的前进轨迹是以基准线为轴的类正弦曲线，沿墙走轨迹如图4所示。
过房门是机器人完成任务必不可少的一个环节，怎样确保机器人顺利穿过房门是任务成功的关键。机器人准备过房门时并不是正对房门，可能向左侧或者右侧不同程度的倾斜。根据倾斜程度的划分，机器人检测相对应的红外传感器距离值，不断调整机器人姿态，使机器人正对房门并顺利通过。
4 结束语
本文设计的家庭服务机器人系统，为智能家居环境服务对象的需求任务提出了详细可行的解决方案。整个系统应用了基于XBee模块的主流无线通信技术，以保证数据的传输速率。此外，对轮式机器人的模块化设计具有结构简单和性能稳定等特点，大大提高了家庭服务机器人的可靠性，并且降低了系统的硬件成本。自主决策过程中的路径规划，使得机器人能够快速沿着最合适的路线移动。总之，该设计系统对家庭服务机器人相关问题的解决提供了可借鉴的方法。
参考文献：
[1]郭芙琴.家政服务机器人技术的发展与应用[J].科技创新导报,2012(24)：24-25
[2]杨士元.数字家庭网络技术及应用[M].北京：电子工业出版社,2002
[3]李皓. 基于ZigBee的无线网络技术及应用[J].信息技术,2008(1): 12-14
[4]应鹏,宫晨.开放式多传感器移动机器人硬件系统设计[J].机床与液压,2009,37(7):137-140
[5]李强.家庭服务机器人路径规划研究[D].包头：内蒙古科技大学,2012
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