單片機(jī)與無線通信技術(shù)在特殊探測(cè)需求下的應(yīng)用實(shí)例

張 嘯 韓孝冉 汪榮權(quán) 全方逸

（天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院，天津 300380）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，常會(huì)出現(xiàn)尋物、探測(cè)、救援等特殊需求，涉及的地點(diǎn)有可能是狹小空間、較深洞穴、建筑廢墟，甚至是含有毒物質(zhì)的空間，這些工作場(chǎng)合往往人員難以進(jìn)入，可越障運(yùn)行、探測(cè)并傳輸信息的無人化探測(cè)機(jī)器人在此顯得極為重要。鑒于此，在充分調(diào)研信息探測(cè)技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的常用技術(shù)手段和相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)和無線通信模塊（本文主要涉及Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊）的探測(cè)機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際的運(yùn)行和探測(cè)功能測(cè)試，同時(shí)根據(jù)測(cè)試情況提出了某些方面的改進(jìn)方法。

1 研究背景及意義

從外太空探索到生產(chǎn)、生活中的某一個(gè)具體方面，對(duì)作業(yè)環(huán)境信息的探測(cè)需求極為普遍[1]。而某些特殊的探測(cè)空間，人員難以進(jìn)入其內(nèi)部作業(yè)，例如：小口徑管道、沉重機(jī)械設(shè)備底部或后部等較為狹小的空間，科學(xué)考察、野外人員搜救涉及的各類洞穴，發(fā)生災(zāi)難事故后的建筑物廢墟內(nèi)，含有毒物質(zhì)、危險(xiǎn)動(dòng)植物或高壓電等危及人員生命安全的場(chǎng)所，等等。遇到這些情況時(shí)，由于操作人員不能直接進(jìn)入工作環(huán)境內(nèi)部，需要探測(cè)機(jī)器人代替人員進(jìn)入其中，及時(shí)獲取內(nèi)部信息資料并傳輸?shù)酵獠?，以便迅速確定最佳工作方案[2]。

因此，對(duì)探測(cè)機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通信和電源方案等方面的研究一直是國內(nèi)外的熱點(diǎn)問題，探測(cè)機(jī)器人也在近年來變得更加多樣化和智能化[3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種井下探測(cè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，并重點(diǎn)介紹了其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5]結(jié)合礦井特殊探測(cè)環(huán)境的實(shí)際特點(diǎn)，提出了一種基于蟻群算法和遺傳算法的探測(cè)機(jī)器人智能路徑規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[6]提出的探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法以大數(shù)據(jù)聚類作為基礎(chǔ)，很大程度上降低了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的誤差。

可見，在探測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域，已有大量的研究成果可供借鑒和參考。但在實(shí)際的信息探測(cè)任務(wù)中，機(jī)器人面對(duì)的環(huán)境復(fù)雜程度往往較高，固定的循跡運(yùn)動(dòng)模式和靈活度不高的控制算法將不能適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)地形環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的探測(cè)機(jī)器人具備成本低、可控性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，不去設(shè)計(jì)復(fù)雜且依賴于高成本器件的運(yùn)動(dòng)控制算法，代之以簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)通信控制系統(tǒng)架構(gòu)，將STM32單片機(jī)和無線通信模塊作為控制、通信平臺(tái)，能以較低的硬件成本滿足較通用的多場(chǎng)景探測(cè)需求。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 探測(cè)機(jī)器人功能需求

探測(cè)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路基于以下功能需求提出：（1）運(yùn)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)具備對(duì)多種復(fù)雜地形的適應(yīng)能力，轉(zhuǎn)向、越障靈活；（2）具有視頻信息獲取和傳輸?shù)墓δ?；?）操作人員能對(duì)探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行無線遙控，從而控制其運(yùn)動(dòng)和攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)總體架構(gòu)

可將探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)分為感知層、控制層、通信層和上位機(jī)四個(gè)主要部分。其中：

（1）感知層包括USB攝像頭和超聲波測(cè)距模塊。攝像頭通過USB通信協(xié)議連接STM32單片機(jī)，可將拍攝到的視頻信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)接口；探測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)主要依靠操作人員遙控，但預(yù)留出超聲波測(cè)距與報(bào)警功能的設(shè)計(jì)，便于操作人員更加直觀地評(píng)估目標(biāo)物體的詳細(xì)距離信息，也能防止因誤操作而造成撞擊現(xiàn)象。

（2）控制層的核心是STM32單片機(jī)主控電路板。單片機(jī)主要承擔(dān)兩部分的功能，一是接收攝像頭和超聲波測(cè)距模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并控制無線通信模塊向Android設(shè)備控制端發(fā)送視頻信息；二是接收Android設(shè)備發(fā)送的控制指令，并根據(jù)對(duì)指令的解析結(jié)果來控制機(jī)器人底盤車輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、變速等運(yùn)動(dòng)方式，或者控制攝像頭舵機(jī)的轉(zhuǎn)角以改變鏡頭的方向。

（3）通信層由無線通信模塊及其無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。本文采用了Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊，它們均可通過無線組網(wǎng)的方式連接Android設(shè)備上的相應(yīng)接口，提供了操作人員對(duì)探測(cè)機(jī)器人遙控的條件。

（4）上位機(jī)采用Android設(shè)備，一般是手機(jī)或者平板電腦。操作人員可在上位機(jī)界面上實(shí)時(shí)查看攝像頭探測(cè)到的視頻，也能點(diǎn)擊按鈕控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和攝像頭的角度。

此外，為了增強(qiáng)機(jī)器人底盤的環(huán)境地形適應(yīng)能力，4個(gè)車輪采用麥克納姆輪以實(shí)現(xiàn)更加靈活的運(yùn)動(dòng)。

3 探測(cè)機(jī)器人關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)主控程序設(shè)計(jì)

在本探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)中，供電后的STM32單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送功能，其運(yùn)行的程序流程圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)主控程序流程圖

STM32單片機(jī)控制板與Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊均通過串口相連接（兩種模塊與單片機(jī)硬件連接的方式相同，均為：無線模塊的TXD端接單片機(jī)的RXD端，RXD端接單片機(jī)的TXD端，無線模塊與單片機(jī)的GND引腳相連，即“共地”），實(shí)際使用時(shí)，可通過進(jìn)入不同的單片機(jī)子程序定義I/O口，從而選擇Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊其中之一進(jìn)行連接并配置其無線通信參數(shù)。配置完成后，操作人員即可在Android設(shè)備上輸入無線網(wǎng)絡(luò)密碼，加入以無線通信模塊為熱點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中。

無線通信網(wǎng)絡(luò)組建完成后，STM32單片機(jī)即可通過無線通信模塊將攝像頭采集到的視頻信息發(fā)送至Android設(shè)備端。此外，STM32單片機(jī)實(shí)時(shí)判斷有無接收到來自Android設(shè)備的數(shù)據(jù)，若有，則根據(jù)程序中制定好的通信協(xié)議控制車輪的轉(zhuǎn)速或者攝像頭舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

需要指出，通過控制4個(gè)麥克納姆輪之間的轉(zhuǎn)速差，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤的轉(zhuǎn)向。攝像頭安裝在由兩個(gè)舵機(jī)控制的云臺(tái)上，其中一個(gè)舵機(jī)可左右旋轉(zhuǎn)360°，另一個(gè)舵機(jī)可上下旋轉(zhuǎn)180°。

3.2 無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，對(duì)比幾種常見的無線通信協(xié)議，如表1所示。

表1 幾種常見的無線通信技術(shù)參數(shù)比較

其中，ZigBee模塊雖然功耗和成本均較低，但不適合連接Android設(shè)備；GPRS模塊的信息費(fèi)用較高；LoRa模塊通信距離長(zhǎng)，信號(hào)抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，但通信速率較低，不利于視頻信號(hào)的傳輸。因此，暫選用Wi-Fi模塊和藍(lán)牙模塊作為探測(cè)機(jī)器人的無線通信接口。

以Wi-Fi模塊為例，其無線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖3所示。在此指出，只需要利用STM32單片機(jī)將Wi-Fi模塊配置成AP模式，不需要連接Internet網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi模塊即可作為一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)使用，Android設(shè)備能基于自身的Wi-Fi模塊較容易地加入該無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行無線通信。

藍(lán)牙模塊也能組成與圖3類似的無線局域網(wǎng)。

圖3 Wi-Fi無線局域網(wǎng)框圖

3.3 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)

探測(cè)機(jī)器人整體采用12 V直流電源，由3節(jié)可充電型18650鋰電池串聯(lián)提供。由于系統(tǒng)各部分硬件需要的供電電壓等級(jí)不同，采用降壓電路模塊，將12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V給STM32單片機(jī)供電，轉(zhuǎn)換成5 V給超聲波測(cè)距模塊、USB攝像頭和4個(gè)車輪直流電機(jī)供電，攝像頭舵機(jī)則直接采用12 V供電。

4 實(shí)際調(diào)試與改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)際調(diào)試

探測(cè)機(jī)器人小車組裝后的外觀如圖4所示。

圖4 探測(cè)機(jī)器人整體外觀

機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)，利用Android手機(jī)界面實(shí)時(shí)查看攝像頭拍攝畫面和控制其運(yùn)動(dòng)方式，如圖5所示。

圖5 探測(cè)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行畫面

4.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，設(shè)計(jì)出的探測(cè)機(jī)器人能較好地利用單片機(jī)和無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻信息的采集、傳輸和操作人員對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程無線控制，為機(jī)器人代替人員進(jìn)入特殊探測(cè)空間完成任務(wù)提供了可能。今后，為進(jìn)一步增加其遙控距離，可以基于此設(shè)計(jì)架構(gòu)，將無線通信模塊更換為4G/5G模塊，從而滿足更大范圍內(nèi)的特殊探測(cè)需求。

5 結(jié)語

綜上，整個(gè)探測(cè)機(jī)器人硬件系統(tǒng)是將STM32單片機(jī)電路板作為控制核心，并通過無線通信模塊連接Android設(shè)備，將攝像頭采集到的視頻信息傳送到人員操控界面，操作人員也可以點(diǎn)擊該界面上的按鈕，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將控制指令發(fā)送至機(jī)器人搭載的通信模塊，再由STM32單片機(jī)解析指令、控制4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速和攝像頭舵機(jī)的轉(zhuǎn)角?；诖丝傮w設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，操作人員能通過Android設(shè)備界面實(shí)時(shí)查看攝像頭拍攝到的清晰畫面，也能控制機(jī)器人車體的運(yùn)動(dòng)模式和攝像頭視角。對(duì)機(jī)器人供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并換裝更高分辨率的攝像頭后，能進(jìn)一步提升探測(cè)機(jī)器人的綜合性能。