多功能室内轮式机器人设计与实现

时间：2024-05-04

王玥玥

（北京信息职业技术学院，北京，100018）

0 引言

轮式机器人目前应用非常广泛，它在平整地面移动的灵活性使其成为室内机器人的首选。轮式机器人的基本功能是运动，而在室内进行稳定运动则需要定位、导航和避障作为必要功能。为了便于控制，轮式机器人可安装云台、显示屏、话筒和音箱等人机交互设备，并增加升降杆装置增强用户体验效果。因此，本文设计了一种满足上述多种需求的多功能轮式机器人。下面详细介绍整体结构和各模块功能及工作流程。

1 整体框架

如图1 所示，本项目采用主从式模块化设计，便于灵活增加功能和进行技术移植。主控板是机器人的大脑，起到核心控制功能，直接连接显示屏、话筒和音箱进行人机交互。其它各项功能均分配到外围模块执行，一方面减轻主控板的工作负担，另一方面也能避免各模块的竞争与冲突。主控板采用RS232 接口向外围模块发送指令并获取信息，电路如图2 所示。

图1 多功能室内轮式机器人结构框图

图2 主控板电路原理图

2 功能模块及工作流程

■2.1 电源管理模块

机器人各模块需要多种类型电源，比如直流电机+24V、超声模块+5V、电子罗盘+3.3V 等，由本模块进行综合管理。电源输入管理包含外接24V 直流充电接口和24V 锂电池浮充接口。电源输出管理包含24V、12V、5V、4.8～7.2V 可调、3.3V 等5 路，可通过继电器控制。其各路输出如图3 所示。检测电路提取电压样值，并进行检测、判断、处理，取得电压样值及告警信息。本模块可将电源状态信息发给主控板，并接收其控制指令。

图3 多路电源输出电路原理图

■2.2 直流电机驱动模块

本模块可根据控制信号产生PWM 信号并通过H 桥功率驱动。具体工作流程为：收到主控板指令后，产生对应的PWM 信号，经光耦隔离后送到H 桥功率驱动器，由驱动器驱动直流电机运动。若驱动电流过大或驱动芯片温度过高，H 桥功率驱动器将产生报警信号，并将告警信息发送到主控板。本模块结构如图4 所示。

图4 直流电机驱动模块结构图

■2.3 升降杆控制模块

在人机交互时，机器人需达到一定高度才会有良好的用户体验，但机器人太高会容易倾倒，故使用升降杆装置解决此矛盾。本模块通过控制步进电机使升降杆以设定速度运行，到达预设位置。具体工作流程为：收到主控板指令后，产生对应的控制信号，TE2302 在控制信号的作用下驱动步进电机运动，进而通过联轴器实现升降杆位置控制。若升降杆位置过高或过低，将触动用于限位的微动开关，检测到微动开关信号后，将控制升降杆停止运动，同时对升降杆当前位置数据进行自校正。其控制流程如图5 所示。

图5 升降杆控制流程图

■2.4 云台舵机驱动模块

云台使机器人头部可灵活转动。本模块通过PWM 信号控制云台2 个舵机转动到设定方向。具体工作流程为：收到主控板指令后，产生PWM 控制信号，经ULN2003 驱动舵机运动到预设角度。

■2.5 真彩灯控制模块

本模块共包含6 个三色LED 灯，每个灯的红、绿、蓝三种亮度通过PMW 控制0～255 级可调，显示24 位16777216 色真彩，6 个灯的流水、跳变、渐变模式可组合出绚丽效果。具体工作流程为：收到主控板指令后，产生对应的PWM 控制信号使三色LED 灯进行24 位亮度显示。

■2.6 超声避障模块

本模块在机器人各个探测方向共配置24 组超声波探测传感器，可同时产生24 路超声波信号进行全方位探测，超声波波速约为340m/s，频率为40kHz，每次探测信号发送持续时间约6μs。具体工作流程为：收到主控板指令后，检测24 个传感器的值，根据检测数据判断障碍物分布情况后，将结果反馈给主控板。

■2.7 信标定位模块

定位模块包含安装在机器人上的定位板和安装在墙或天花板的信标，可通过测定超声波传播时长确定两者之间距离，联合多个定位板和信标距离可解算出机器人位置。具体工作流程为：收到主控板指令后，发射包含信标地址码的无线信号，对应标志点接收到无线信号后发出超声波信号，超声波接收器进行信号接收，检测超声波信号到达时间，反馈给主控板。主控板根据四个定位板反馈的距离信息，以及各超声波接收器安装的几何位置计算相对距离，从而得到定位信息。超声波发射和接收电路如图6 和图7 所示。

图6 超声波发射电路

图7 超声波接收电路

■2.8 WiFi 数传模块

WiFi 信号接收模块的串口发送速率与主控板通信所使用的速率不相同，因此需要数据转换单片机进行转换处理。本模块对WiFi 信号接收模块进行初始化配置，从而接收手机发送的WiFi 数据，WiFi 信号接收模块将数据通过串口发送给WiFi 适配单片机，WiFi 适配单片机将数据转为并行数据，再通过串口发送给主控板。