基于嵌入式的可移動環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與研究

劉怡沛，江龍韜，秦 嶺，張 卓

(河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著國內(nèi)智慧環(huán)保理念的發(fā)展，如何推動智慧環(huán)保落地成為各地政府關(guān)心的問題[1-3]。在推進(jìn)智慧環(huán)保落地的過程中，最重要的是環(huán)境監(jiān)測任務(wù)[4]。但由于部分地區(qū)環(huán)境復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的非移動式監(jiān)測無法檢測空間狹小，環(huán)境惡劣、位置險要的環(huán)境[5-6]；人力監(jiān)測方式耗費(fèi)過多力資源，且效率低下；部分地區(qū)森林火災(zāi)頻發(fā)，如何在保障消防員安全的前提下進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，避免不必要的犧牲，也成為當(dāng)下的焦點(diǎn)問題[7-8]。

因此設(shè)計出一種可遠(yuǎn)程控制的環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人成為亟待解決的問題[9]。針對此需求，郭威[9]等設(shè)計了一種可移動滑桿式環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人，環(huán)境監(jiān)測效果良好，但對環(huán)境要求高，需搭建滑桿供機(jī)器人滑行；趙靜[10]等設(shè)計了一種基于樹莓派的VR環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人，解決了監(jiān)測對環(huán)境要求高的問題，但樹莓派成本較高。本文設(shè)計了一種基于STM32嵌入式系統(tǒng)的可移動環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人。通過控制平臺的搖桿模塊控制檢測平臺的移動，檢測平臺上通過藍(lán)牙實(shí)時傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)給控制平臺，并將環(huán)境參數(shù)等顯示在遠(yuǎn)程控制平臺的OLED上，且當(dāng)前方存在障礙物時，檢測平臺發(fā)出警報，操控者此時需改變行進(jìn)方向。該機(jī)器人具備環(huán)境監(jiān)測、無線傳輸、遠(yuǎn)程控制的功能，解決了監(jiān)測環(huán)境受限的問題，也降低了成本，對于推動智慧環(huán)保的建設(shè)和檢查火災(zāi)等災(zāi)情情況，保障消防員安全等具有重要幫助。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)方案采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6微控制器作為機(jī)器人的主控芯片。其中，該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制平臺和檢測平臺兩部分組成。其中，硬件電路由溫濕度傳感器模塊、光照傳感器、煙霧傳感器和超聲波測距模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器報警模板等組成。主要完成對環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、障礙物距離和空氣中顆粒的濃度的測量及障礙物判斷和報警。軟件部分主要由藍(lán)牙、測試平臺的行進(jìn)算法和舵機(jī)控制算法組成。檢測平臺和遠(yuǎn)程控制平臺通過HC-05藍(lán)牙傳遞數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制設(shè)備的主控輸入有按鍵模塊和搖桿模塊；機(jī)器人的主控輸入有和超聲波測距模塊，4個傳感器的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳遞給遠(yuǎn)程控制設(shè)備的主控，再通過OLED分別顯示。通過按鍵模塊的4個按鍵實(shí)時更新對應(yīng)的4個傳感器的數(shù)據(jù)并通過OLED顯示，搖桿模塊控制機(jī)器人行進(jìn)方向的目標(biāo)。基于嵌入式的環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

1)操控遠(yuǎn)程控制平臺上的搖桿控制檢測平臺的行進(jìn)方向，搖桿的偏移度控制行進(jìn)速度。檢測平臺能夠?qū)崟r讀取與障礙物的距離，設(shè)定安全距離閾值，當(dāng)實(shí)時讀取的距離小于安全閾值時，蜂鳴器報警，操控人員需改變行進(jìn)方向。

2)遠(yuǎn)程控制平臺上有4個按鍵，分別對應(yīng)機(jī)器人的溫濕度檢測模塊、光照檢測模塊、空氣質(zhì)量檢測模塊和超聲波測距模塊的數(shù)據(jù)讀取，并更新顯示在遠(yuǎn)程控制平臺的OLED上。

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程控制的環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人。能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)、解決日常環(huán)境下監(jiān)測低效的難題，提高了測量精度，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，因此需要實(shí)現(xiàn)以下兩個目標(biāo)。

1)高效性：若檢測平臺的MCU實(shí)時采集4個環(huán)境傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)總體的反應(yīng)速度將會被影響，且過于頻繁的數(shù)據(jù)接收將會使系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。因此設(shè)計的機(jī)器人系統(tǒng)通過按鍵控制讀取目標(biāo)傳感器的數(shù)值并在OLED更新顯示，避免了長時間連續(xù)的接收冗雜傳感器數(shù)據(jù)的問題，能夠有效提高環(huán)境監(jiān)測的效率和實(shí)際情況下工作的穩(wěn)定性[11]。

2)智能化：環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人前行的過程中會出現(xiàn)障礙物或道路崎嶇的困境，系統(tǒng)設(shè)定了障礙物安全距離閾值，當(dāng)真實(shí)距離小于閾值時，蜂鳴器發(fā)出警報，提示操作者更改行進(jìn)方向。

1.2 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

系統(tǒng)設(shè)計中需滿足硬件的使用要求及設(shè)計要求，參數(shù)的具體范圍如表1所示。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)表

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件涉及到的硬件模塊主要有主控模塊、溫濕度傳感器電路、光照傳感器電路、煙霧傳感器電路和超聲波測距電路。

2.1 主控模塊

系統(tǒng)主控選擇意法半導(dǎo)體公司的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器STM32F103C8T6作為主芯片，系統(tǒng)最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)存包含64 Kb的Flash和20 Kb的SRAM。其系統(tǒng)主要由4個控制單元和4個受控單元(SRAM、FLASH、FSMC和AHB2APBx)組成，其中AHB是一種高性能的系統(tǒng)總線，用于連接CPU和DMA等高性能模塊，由主模塊、從模塊和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3個部分過程；APB是一種高級外圍總線，主要用于UART等外設(shè)的連接，其主模塊是APB橋，數(shù)據(jù)的傳輸均由主模塊發(fā)起、從模塊回應(yīng)。

且含有3個16位的計時器和1個16位的PWM計時器、2個SPI、3個UART，37個GPIO口和12位的ADC，由于其外設(shè)資源眾多，工作的時鐘頻率不盡相同，因此采用5個時鐘源，有8 MHz的系統(tǒng)內(nèi)部時鐘振蕩器HSI，40 MHz的實(shí)時時鐘振蕩器。芯片的封裝體積小，性價比高，更具實(shí)用性。

2.2 溫濕度傳感器電路

溫濕度傳感器選擇的型號是DHT11，是一款經(jīng)校準(zhǔn)后傳輸數(shù)字信號的復(fù)合型傳感器。該傳感器與MCU間通過DATA數(shù)據(jù)線傳輸，傳輸方式屬于半雙工通信方式。數(shù)據(jù)傳輸格式為一次傳輸40 bit，順序依次為：8 bit的溫度整數(shù)部分+8 bit的溫度小數(shù)部分+8 bit的濕度整數(shù)部分+8 bit的濕度小數(shù)部分+8 bit的校驗(yàn)和[12]。通過校驗(yàn)位判斷傳輸過程是否出錯，提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性。

其電路應(yīng)包含一個電阻式感濕元件和一個NTC感溫元件。外界濕度越高，電阻值越??； NTC感溫元件與1 kΩ的電阻串聯(lián)，通過采集電阻兩端電壓值的變化來確定環(huán)境溫度。其中需要加入一個4.7 kΩ的上拉電阻，可以提高輸入信號的噪聲容限，增強(qiáng)電路的抗干擾能力。電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器的電路設(shè)計

2.3 光照傳感器電路

光照傳感器選擇的型號是GY-30，采用BH1750FVI芯片。該傳感器有5個端口，除VCC和GND外，還有SCL、SDA和ADDR，因此BH1750FVI通過IIC協(xié)議與MCU進(jìn)行通信，其中ADDR在該傳感器中的作用為控制讀寫指令，當(dāng)ARRD=0xB8/0x46時為寫操作，ARRD=0xB9/0x47時為讀操作。MCU傳遞8 bit控制字，由7 bit的發(fā)送器地址和1 bit的寫命令組成，BH1750FVI收到后應(yīng)答，再由MCU發(fā)送測量指令，BH1750FVI收到后發(fā)送高8位的數(shù)據(jù)，在單片機(jī)應(yīng)答后，在傳送低8位數(shù)據(jù)，此時一次通信結(jié)束[13]。

BH1750內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC采集和晶振等組成。光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，?jīng)過運(yùn)算放大器放大后，通過ADC采集電壓，轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)存貯到內(nèi)部寄存器中。且光照強(qiáng)度越高，光電流越大，采集到的電壓越大。光照強(qiáng)度與電壓之間存在對應(yīng)關(guān)系，但二者之間不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。BH1750FVI芯片內(nèi)部對于采集到的電壓又進(jìn)一步地進(jìn)行了線性處理，因此處理后的電壓與光照強(qiáng)度近似線性。

從BH1750采集到的數(shù)據(jù)并不是最終的光照強(qiáng)度，需要下列公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其中，Value為實(shí)際值，Measured為測量值，trans為透光率，mode為模式：

(1)

圖3中，C3電源的濾波電容，能夠使工作性能更加穩(wěn)定。光照傳感器的電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 光照傳感器電路設(shè)計

2.4 煙霧傳感器電路

煙霧傳感器選擇的型號是MQ-135。對空氣中的硫化物、氨氣和污染氣體的靈敏度高，是適應(yīng)森林火災(zāi)監(jiān)測、城市環(huán)保等多場合的低成本傳感器。MQ-135有兩種輸出：AOUT和DOUT，分別對應(yīng)模擬量輸出和數(shù)字量輸出，選擇模擬量輸出，將LM393的輸出電壓作為參考值，按照換算關(guān)系：電壓每升高0.1 V，實(shí)際被測氣體的濃度增加200 pm。滿足以下?lián)Q算公式：

(2)

煙霧傳感器常用電路有兩種，本文選用比較器電路監(jiān)控。將MQ135的2引腳，即隨煙霧濃度變化的直流信號做比較器的2腳，IN作為比較器的門檻電壓。當(dāng)煙霧濃度高于門檻電壓時，LM393的輸出電平為0 V，則D1燈亮；當(dāng)煙霧濃度低于門檻電壓時，LM393的輸出電平為VCC，D1燈滅。電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 煙霧傳感器的電路設(shè)計

2.5 超聲波測距電路

超聲波測距模塊選擇的型號為HC-SR04，有4個端口：VCC、GND、Trig(控制端)、Echo(接收端)。其中模塊會自動發(fā)送方波，即通過TRIG端通過傳輸10 μs的高電平型號觸發(fā)測距，此時模塊會自動發(fā)送8個40 kHz的方波，并檢測是否有信號返回。若前方存在障礙物，則通過Echo輸出高電平，則距障礙物的距離dis(m)為：

(3)

其中：Vvoice為聲速，t為超聲波從發(fā)射到返回的時間。

圖5 超聲波測距的電路設(shè)計

超聲波電路主要由放大電路、選頻電路和比較電路組成。其中Net端是漏極開路。當(dāng)開始測距時，TRIG端發(fā)送一個10 μs的高電平觸發(fā)脈沖，此時NET端引腳置低，濾除干擾信號，此時該模塊發(fā)送8個40 kHz的脈沖來啟動定時器和開中斷，等待接收到接收觸發(fā)中斷信號后再關(guān)閉定時器、中斷，計算計時器的時間。在此電路中，用到兩級運(yùn)放，均由GS324運(yùn)算放大器放大，該放大器具有低輸入偏置電流、失調(diào)電流和快速電壓轉(zhuǎn)換率的優(yōu)點(diǎn)。在第一級放大中，放大倍數(shù)為6.2倍，二級放大倍數(shù)為7.5倍。超聲波的電路設(shè)計如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分采用STM32F103C8T6系統(tǒng)進(jìn)行C語言的編輯，Keil 5 MDK編譯軟件作為系統(tǒng)的編譯平臺。

首先完成各類傳感器的初始化和藍(lán)牙配對，OLED顯示各傳感器參數(shù)的顯示界面，若此時按鍵未按下，機(jī)器人跟隨遠(yuǎn)程控制設(shè)備的控制狀態(tài)行進(jìn)或停止；若按鍵按下，則讀取對應(yīng)傳感器的數(shù)據(jù)，并通過OLED更新顯示，并判斷此時距障礙物的距離是否小于安全閾值，若小于安全閾值，則蜂鳴器報警，發(fā)出警告。軟件設(shè)計部分主要分為三方面：藍(lán)牙配對、串口中斷算法和機(jī)器人行進(jìn)控制算法。具體流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)的設(shè)計流程圖

3.1 藍(lán)牙配對

環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人的藍(lán)牙選擇了正點(diǎn)原子公司的HC-05模塊。該模塊是一款高性能、主從一體的藍(lán)牙串口，支持波特率范圍為4 800～1 382 400 baud，機(jī)器人的藍(lán)牙波特率設(shè)定為38 400 baud，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位。機(jī)器人傳輸讀取到的傳感器數(shù)據(jù)至遠(yuǎn)程控制設(shè)備，需通過藍(lán)牙的AT指令完成藍(lán)牙配對，并設(shè)置主機(jī)和從機(jī)。

實(shí)際應(yīng)用中的步驟如下：

1)進(jìn)入AT模式。將AT引腳置高，當(dāng)藍(lán)牙模塊state燈變?yōu)槁W，則表明已經(jīng)進(jìn)入AT模式；

2)恢復(fù)藍(lán)牙的默認(rèn)狀態(tài)：打開串口調(diào)試助手，調(diào)用AT+ORGL/r/n 即恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置；

3)設(shè)置藍(lán)牙名稱：配置第一個藍(lán)牙的名稱：AT+NAME= Bluetooth-Marster/r/n(主)，第二個藍(lán)牙：AT+NAME= Bluetooth-Slave/r/n(從)；

4)設(shè)置藍(lán)牙的配對碼為：AT+PSWD= 0000/r/n；

5)將第一個藍(lán)牙設(shè)置為主機(jī)： AT+ROLE=1/r/n，并將第二個藍(lán)牙設(shè)置為從機(jī)：AT+ROLE=0/r/n；

6)配置串口參數(shù)：配置波特率、停止位和校驗(yàn)位：AT+UART=115 200,0,0/r/n，設(shè)置藍(lán)牙通信串口波特率為9 600，停止位1位，無校驗(yàn)位；

7)查詢地址： AT+ADDR？/r/n，得到地址為：2015:2:120758；

8)綁定藍(lán)牙： AT+CMODE=1/r/n(調(diào)節(jié)為綁定模式) AT+BIND=2015,2,120758/r/n

至此，藍(lán)牙已完成配對。此時機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 串口中斷算法

3.2.1 遠(yuǎn)程控制設(shè)備的傳輸協(xié)議

藍(lán)牙完成配對后，通過串口傳輸數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程控制設(shè)備控制機(jī)器人運(yùn)動和按鍵選擇對應(yīng)的傳感器讀取數(shù)據(jù)需要通過串口函數(shù)USART_SendData()傳遞給機(jī)器人，串口通信協(xié)議如表2所示，采用數(shù)據(jù)幀格式：{0xFF、0xFE、spe_dat，x_value&0x00FF、x_value&0xFF00、y_value&0x00FF、y_value&0xFF00}。

表2 遠(yuǎn)程控制設(shè)備傳輸協(xié)議的語法解釋

由數(shù)據(jù)幀順序，0xFF和0xFE為數(shù)據(jù)幀的幀頭，兩個幀頭能夠大幅提高數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性，同時避免過多幀頭導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸效率低的問題。spe_dat是中斷檢測到的被按下按鍵的值，取值為0-4，0則是未按下，無需檢測，1-4分別對應(yīng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備上的4個按鍵、也對應(yīng)檢測平臺的4個傳感器：空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器和超聲波傳感器。x_value&0x00FF和x_value&0xFF00分別代表x_value的低八位和高八位，y_value&0x00FF和y_value&0xFF00分別代表y_value的第八位和高八位。通過將高八位左移八位，與低八位相加，即可恢復(fù)x_value和y_value的原始數(shù)據(jù)。

x_value=x_value&0x00FF+x_value&0xFF00?8

(4)

y_value=y_value&0x00FF+y_value&0xFF00?8

(5)

檢測平臺獲得x_value和y_value的原數(shù)據(jù)后，可按照機(jī)器人的行進(jìn)控制算法，計算運(yùn)行方向。

3.2.2 機(jī)器人的傳輸協(xié)議

檢測平臺接收到通過串口傳遞來的按鍵數(shù)值后，讀取響應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，將讀取到的參數(shù)再次通過串口傳輸，串口傳輸協(xié)議如表3所示。

由于一次僅傳輸一個傳感器的讀取數(shù)據(jù)，此次的傳輸?shù)木唧w值根據(jù)檢測平臺接收到的按鍵值變化。當(dāng)檢測平臺收到遠(yuǎn)程控制設(shè)備傳來的參數(shù)spe_dat=1時，此時對應(yīng)空氣質(zhì)量傳感器，讀取到空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)air，則Temp1此時為空氣質(zhì)量air的低八位，Temp2此時為空氣質(zhì)量air的高八位，光照傳感器和距離傳感器的格式也是如此。當(dāng)機(jī)器人收到遠(yuǎn)程控制設(shè)備傳來的參數(shù)spe_dat=2時，此時對應(yīng)溫濕度傳感器，讀取到溫度數(shù)據(jù)wendu、濕度數(shù)據(jù)shidu，則Temp1此時為溫度值，Temp2此時為濕度值。

表3 系統(tǒng)間傳輸協(xié)議的語法解釋

3.3 檢測平臺行進(jìn)控制算法

3.3.1 舵機(jī)控制算法

舵機(jī)是一種帶有輸出軸的伺服電機(jī)，是由可變寬度的脈沖信號進(jìn)行控制的。PWM信號是脈寬調(diào)制信號，即通過改變脈沖時間寬度實(shí)現(xiàn)信號控制，舵機(jī)的PWM信號控制周期是20 ms，基準(zhǔn)寬度為1.5 ms，即對應(yīng)圖7中的中間位置，此時的轉(zhuǎn)動角度為90°。脈沖持續(xù)時間每增加/減少0.5 ms，對應(yīng)轉(zhuǎn)動順時針/逆時針45°。本系統(tǒng)中，檢測平臺選用的舵機(jī)型號為MG995R，為180°可轉(zhuǎn)動舵機(jī)，可控制的角度范圍為0～180°，脈沖寬度范圍為0.5～2.5 ms[14]，脈沖范圍對應(yīng)的多級轉(zhuǎn)動如圖7所示。

圖7 PWM信號控制舵機(jī)示意圖

1)分頻值的確定：脈沖輸出是利用通用定時器通過GPIO引腳輸出。檢測平臺的主控中選用定時器3，先初始化TIM3，選擇向上計數(shù)模式[15]。由舵機(jī)信號的控制周期20 ms計算對應(yīng)頻率脈沖50 Hz。

設(shè)置自動重裝載寄存器周期的值為1 999，TIMx時鐘頻率的預(yù)分頻值為719，根據(jù)分頻計算公式可知：

(6)

式中，arr為PWM輸出高電平的計數(shù)時間，psc為預(yù)分頻計數(shù)器的值。

2)由信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動：定時器輸出模式選擇PWM1模式。在輸出不同高電平占空比的過程中需要通過調(diào)用定時器通道1比較函數(shù)TIM_SetCompare1(TIM2,arr)來裝填TIMx->CCR1寄存器的值。第一個參數(shù)TIM2是操作的定時器，第二個參數(shù)arr是輸出PWM的高電平計數(shù)時間。通過設(shè)定不同的計數(shù)時間，就可以輸出不同高電平占空比的PWM方波[16]。通過輸出的舵機(jī)信號來控制檢測平臺的方向轉(zhuǎn)動角度，定義函數(shù)Steer_Angle(u16arr)；

void Steer_Angle(u16 arr)

{

TIM_SetCompare1(TIM2,arr);

}

其中，arr的值為機(jī)器人接收到的搖桿模塊x值經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，范圍在[50,250]之間。將arr值裝填進(jìn)入TIMx->CCR1之后，arr的值將會與TIMx_CNT寄存器的計數(shù)值對比，當(dāng)計數(shù)值低于arr時引腳為高電平，當(dāng)計數(shù)值高于arr時引腳為低電平，因此，通過控制arr的值就可以控制舵機(jī)輸出對應(yīng)的角度中arr的值與角度轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示：

(7)

其中:θ為舵機(jī)輸出角度，當(dāng)其為90°時，檢測平臺方向回正。

3.3.2 檢測平臺行進(jìn)控制算法

圖8為行進(jìn)控制算法的流程圖，通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備的搖桿模塊轉(zhuǎn)動控制檢測平臺前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)彎的方向，搖桿模塊具有(X,Y)2軸模擬輸出，且輸出電壓值x和y的范圍為0～4 095。x和y的數(shù)值由藍(lán)牙通過USART通信傳遞給檢測平臺的主控。由于檢測平臺是由舵機(jī)控制轉(zhuǎn)向，因此將轉(zhuǎn)化后用于控制舵機(jī)的參數(shù)tempx控制范圍在[50,250]，對應(yīng)舵機(jī)的占空比(0.5～2.5 ms)，同時對應(yīng)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度[-90°,90°]。將控制方向的參數(shù)tempy控制范圍在[-100,100],利用轉(zhuǎn)換公式即可完成轉(zhuǎn)換：

tempx=150-(x-2 048)*0.048 828 125

(8)

tempy=(y-2 048)*0.048 828 125

(9)

圖8 機(jī)器人行進(jìn)控制算法流程圖

控制前進(jìn)/后退方向：當(dāng)tempy>0時，標(biāo)記方向dir=1，即檢測平臺前進(jìn)；

當(dāng)tempy<0時，標(biāo)記方向dir=0，即檢測平臺后退，并將取反，取絕對值。

控制左右轉(zhuǎn)彎方向：由于tempx和tempy的范圍不一致，因此先通過公式

tx=tempx-150

(10)

因此將tx的范圍控制為[-100,100]。行進(jìn)速度為：

(11)

通過函數(shù)Steer_Angle(tempx)控制左右轉(zhuǎn)彎角度，Motor_Power(speed,dir)函數(shù)控制行進(jìn)方向和速度。

此部分函數(shù)定義為Motor_Power(power,dir)， power為速度，dir為前進(jìn)和后退的標(biāo)志位，代碼如下：

void Motor_Power(u16 power,u8 dir)

{

u8 arr;

if(dir==1)

{

arr = power;

TIM_SetCompare1(TIM4,arr);

TIM_SetCompare3(TIM4,arr);

TIM_SetCompare2(TIM4,0);

TIM_SetCompare4(TIM4,0);

}

else

{

arr = power;

TIM_SetCompare1(TIM4,0);

TIM_SetCompare3(TIM4,0);

TIM_SetCompare2(TIM4,arr);

TIM_SetCompare4(TIM4,arr);

}

}

當(dāng)計算出的y<0時，dir=0，檢測平臺后退；計算出的y>0時，dir=1，檢測平臺前進(jìn)。此處調(diào)用了庫函數(shù)TIM_SetCompare1 (TIM4,arr)，該函數(shù)的作用是設(shè)置TIM4->CCR1的值，通過比較TIM4_CNT與TIM4->CCR1, 就可以控制定時器引腳高低電平的輸出，進(jìn)而通過設(shè)定不同的arr就可以輸出不同高電平占空比的PWM波來類比不同的電壓模擬量，以此來控制檢測平臺前行的速度。

由上文的舵機(jī)控制算法和檢測平臺行進(jìn)控制算法，就可以將遠(yuǎn)程控制設(shè)備的X，Y雙軸模擬偏移量，通過藍(lán)牙傳輸給檢測平臺，進(jìn)而控制其方向和速度。

4 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

4.1 測試步驟

為了驗(yàn)證本文設(shè)計的基于嵌入式的可移動環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)生活中的環(huán)境監(jiān)測準(zhǔn)確性，與各試驗(yàn)點(diǎn)的真實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)分別在操場、實(shí)驗(yàn)室和地下停車場，各試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)過30次實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)主要針對傳感器讀取的準(zhǔn)確度測試[17-18]，同時判斷其遇障報警功能。

4.2 測試結(jié)果

首先測試環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制功能是否正常，通過對檢測平臺及遠(yuǎn)程控制設(shè)備進(jìn)行供電，待藍(lán)牙連接完成后，推動搖桿進(jìn)行上下左右移動的測試，測試結(jié)果表明，檢測平臺可以根據(jù)發(fā)出的指示進(jìn)行運(yùn)動，當(dāng)改變搖桿在Y軸上的狀態(tài)時，檢測平臺會相應(yīng)的向前向后變速行駛，當(dāng)改變搖桿在X軸上的狀態(tài)時，檢測平臺的舵機(jī)會相應(yīng)的轉(zhuǎn)動，決定檢測平臺的前進(jìn)方向。

檢測平臺的舵機(jī)跟隨遠(yuǎn)程控制設(shè)備的轉(zhuǎn)動正常行駛，經(jīng)過實(shí)際的測試表明，檢測平臺可以很好的聽從遠(yuǎn)程控制設(shè)備的命令進(jìn)行移動，可以滿足日常場景下的遠(yuǎn)程控制需求。

接著對各傳感器的檢測功能進(jìn)行測試，看其是否能夠傳回實(shí)時環(huán)境的目標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳送回來的數(shù)據(jù)在OLED上更新顯示。

OLED顯示屏上包括了DHT11溫濕度傳感器、GY-30光照傳感器、HCSR04超聲波傳感器、MQ135空氣質(zhì)量檢測傳感器回傳回來的各種數(shù)據(jù)，從上到下分別是距離、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量等環(huán)境監(jiān)測狀態(tài)[19]。實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果如下：

經(jīng)過30次測試，部分測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)室部分測試結(jié)果

操場測試結(jié)果：經(jīng)過30次測試，部分測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 操場部分測試結(jié)果

地下停車場測試結(jié)果：經(jīng)過30次測試，部分測試數(shù)據(jù)如表6所示。

4.3 測試結(jié)果分析

由上述在3個不同的測試地點(diǎn)中，檢測平臺各傳感器的測試結(jié)果和實(shí)際結(jié)果對比基本一致，綜合準(zhǔn)確率達(dá)到97.7%。

表6 地下停車場部分測試結(jié)果

但在實(shí)驗(yàn)室和地下停車場時，由于在室內(nèi)時受到照明燈的影響，在不同的位置上光照強(qiáng)度會由于有輕微波動，因此在實(shí)驗(yàn)室和地下停車場的光照強(qiáng)度有波動。本次測試中，將安全距離設(shè)定為10 cm，在實(shí)驗(yàn)過程中遇到障礙物時報警功能正常。綜上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

未來無論在消防救助領(lǐng)域還是在狹隘、復(fù)雜空間下的環(huán)境監(jiān)測和高污染地區(qū)的環(huán)境檢測等，可移動的環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人都將發(fā)揮巨大的作用，推進(jìn)智慧環(huán)保落地，檢測危險環(huán)境、保護(hù)消防員安全[20-21]。本文設(shè)計的基于嵌入式的可移動環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人能夠通過遠(yuǎn)程控制平臺的搖桿控制檢測平臺行駛，并通過檢測平臺上的傳感器完成對周圍環(huán)境的高精度檢測，通過藍(lán)牙傳遞回遠(yuǎn)程控制平臺，并通過OLED顯示實(shí)時的監(jiān)控數(shù)據(jù)。經(jīng)過多場景測試，環(huán)境監(jiān)測機(jī)器人具有較高的穩(wěn)定性，各項指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期結(jié)果，執(zhí)行任務(wù)時運(yùn)行穩(wěn)定。未來考慮將藍(lán)牙換用傳輸距離更遠(yuǎn)的WIFI模塊；加入攝像頭模塊，返回檢測現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)和拓展環(huán)境監(jiān)測的指標(biāo)[22]。