基于樹莓派的目標(biāo)跟蹤六足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為了解決人類在極端環(huán)境探索和作業(yè)時(shí)的安全性問題，設(shè)計(jì)了一款六足機(jī)器人。該六足機(jī)器人以樹莓派4B為控制核心，具備目標(biāo)跟蹤、行走、越障、遠(yuǎn)程控制等功能；采用三角步態(tài)行進(jìn)，提高了穩(wěn)定性和自由度；搭配攝像頭等多種傳感器模塊，可以實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境信息；與控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過驅(qū)動(dòng)模塊控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤控制。該六足機(jī)器人可用于抗震救災(zāi)、礦難救援等情景下的目標(biāo)勘探。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；樹莓派；機(jī)器視覺；目標(biāo)跟蹤；避障；步態(tài)規(guī)劃

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.027

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對(duì)于在極端環(huán)境下應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的需求日益增加。在地震災(zāi)害、礦難事故、山體滑坡等特殊環(huán)境下，往往存在地形復(fù)雜、路面崎嶇、障礙物多等問題，人類直接進(jìn)行勘探會(huì)存在諸多安全隱患[1]，因此需要機(jī)器人代替人類進(jìn)行勘測(cè)。常見的勘探機(jī)器人有履帶式機(jī)器人、輪式機(jī)器人、足式機(jī)器人[2-4]。其中，足式機(jī)器人又可分為雙足機(jī)器人、四足機(jī)器人、六足機(jī)器人以及八足機(jī)器人。六足機(jī)器人在足式機(jī)器人中最常見，其具有自由度高、運(yùn)動(dòng)方式多樣化、立足點(diǎn)離散等特點(diǎn)，可進(jìn)行多樣化的步態(tài)設(shè)計(jì)[5]。

本文設(shè)計(jì)了一款基于樹莓派的六足機(jī)器人，能夠適應(yīng)崎嶇地形，結(jié)合多種傳感器和視覺算法，可實(shí)現(xiàn)步態(tài)規(guī)劃、主動(dòng)避障、多自由度協(xié)同運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)跟蹤[6]等功能，使其能夠?qū)ι降?、草地、沙地、礦洞等復(fù)雜地形進(jìn)行探索。

1 六足機(jī)器人整體控制方案

1.1 六足機(jī)器人需求分析

為了確保六足機(jī)器人能夠穩(wěn)定地運(yùn)行，需要從硬件和軟件兩個(gè)層面提出控制要求，并進(jìn)行需求分析。六足機(jī)器人在進(jìn)行步態(tài)行走時(shí)，需要自主進(jìn)行避障，實(shí)時(shí)調(diào)整六足姿態(tài)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、避障，并且要能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行追蹤；另外還需要遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并將周圍環(huán)境畫面實(shí)時(shí)顯示到終端，這對(duì)機(jī)器人的硬件和軟件設(shè)計(jì)提出了要求。

硬件層面設(shè)計(jì)要求如下：

（1）處理器的計(jì)算能力強(qiáng)。六足機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部要處理大量的傳感器信息，并發(fā)送驅(qū)動(dòng)命令給多個(gè)執(zhí)行元件，執(zhí)行元件反饋數(shù)據(jù)給中央處理器，處理器內(nèi)部做出相應(yīng)運(yùn)算修正驅(qū)動(dòng)命令，這一過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行融合處理，因此對(duì)于處理器的實(shí)時(shí)計(jì)算性能有較高要求。

（2）多傳感器融合[7]。機(jī)器人的關(guān)節(jié)舵機(jī)反饋、避障、目標(biāo)跟蹤、視頻畫面?zhèn)鬏敼δ芏夹枰柚煌愋偷膫鞲衅鲗?shí)現(xiàn)，不同傳感器采集的信息往往具備不同特征，如模糊的與確定的、時(shí)變的與非時(shí)變的、實(shí)時(shí)的與非實(shí)時(shí)的，通過對(duì)傳感器及其測(cè)量信息的優(yōu)化分配與使用，使得傳感器在空間和時(shí)間上形成互補(bǔ)與冗余的局勢(shì)，進(jìn)而提高機(jī)器人系統(tǒng)的有效性。

（3）通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)。在機(jī)器人行進(jìn)過程中，驅(qū)動(dòng)命令需要快速到達(dá)目標(biāo)舵機(jī)，延遲時(shí)間不能超過2 ms。

軟件層面設(shè)計(jì)要求如下：

（1）程序模塊化。按照不同功能將機(jī)器人劃分為若干小程序模塊，每個(gè)小程序模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)確定的功能，并在這些模塊之間建立必要的聯(lián)系，通過模塊的互相協(xié)作完成整個(gè)

功能。

（2）上位機(jī)可視化。上位機(jī)通過與下位機(jī)或設(shè)備建立通信，實(shí)時(shí)采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將攝像頭畫面?zhèn)鬏數(shù)缴衔粰C(jī)終端。

（3）步態(tài)穩(wěn)定。六足機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多自由度的特

點(diǎn)，決定了步態(tài)規(guī)劃程序必須考慮行走過程中的穩(wěn)定性，以提高行進(jìn)效率和目標(biāo)跟蹤效果。

1.2 六足機(jī)器人控制原理

本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人依據(jù)仿生原理，足部采用三自由度關(guān)節(jié)腿結(jié)構(gòu)，分為腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)，由3個(gè)舵機(jī)和關(guān)節(jié)支架組成了機(jī)器人的一條腿，如圖1所示。

在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送位置命令，處理器對(duì)攝像頭捕捉到的目標(biāo)中心位置進(jìn)行計(jì)算并得到偏差量；經(jīng)過機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃程序后，輸出位置信號(hào)給位置控制器，將位置控制量發(fā)送至舵機(jī)擴(kuò)展板，帶動(dòng)腿部關(guān)節(jié)舵機(jī)；最終機(jī)器人足部按照預(yù)先規(guī)劃好的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。期間由傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)腿部位置和姿態(tài)信息并反饋和更新位置控制量。六足機(jī)器人行走控制原理如圖2所示。

1.3 步態(tài)控制規(guī)劃

步態(tài)是指六足機(jī)器人在行進(jìn)過程中，肢體在時(shí)間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，主要表現(xiàn)為規(guī)律的擺動(dòng)方式，常見的六足機(jī)器人步態(tài)有三角步態(tài)、四角步態(tài)、五角步態(tài)。其中三角步態(tài)契合大多數(shù)昆蟲仿生學(xué)運(yùn)動(dòng)原理，重心穩(wěn)定，且易于實(shí)現(xiàn)，能降低六足的互相干涉，適合絕大多數(shù)直行、轉(zhuǎn)彎、避障動(dòng)作[8]。

三角步態(tài)行進(jìn)原理如圖3所示，將六足劃分為兩組，身體左前足、左后足、右中足為組Ⅰ；右前足、右后足、左中足為組Ⅱ。當(dāng)六足機(jī)器人需要前進(jìn)時(shí)，先進(jìn)入靜止站立的準(zhǔn)備姿態(tài)，接著組Ⅰ的三條腿抬起并向前擺動(dòng)，組Ⅱ的三條腿向后擺動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人本體向前行進(jìn)，同時(shí)組Ⅰ三條腿落下至恢復(fù)初始狀態(tài)；之后組Ⅱ的三條腿抬起并向前擺動(dòng)，組Ⅰ的三條腿向后擺動(dòng)，再次帶動(dòng)機(jī)器人向前行進(jìn)，最后組Ⅰ和組Ⅱ的所有腿恢復(fù)初始狀態(tài)。

通過對(duì)機(jī)器人落足點(diǎn)狀態(tài)的分析，機(jī)器人始終保持有一組腿落地，另一組腿抬起，落地腿向后蹬推動(dòng)本體向前行進(jìn)，兩組腿周期性交替，落足點(diǎn)分布呈現(xiàn)三角形，如圖4所示，灰色代表落足點(diǎn)[9]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

六足機(jī)器人的控制系統(tǒng)以樹莓派4B作為控制核心，控制驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊控制六足上的舵機(jī)和頭部舵機(jī)，每只足部上有3個(gè)舵機(jī)控制腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)電壓顯示器用來指示六足機(jī)器人的當(dāng)前電量；電源模塊負(fù)責(zé)給樹莓派4B供電；發(fā)光超聲波傳感器用來探測(cè)機(jī)器人前端是否有物體；頭部舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)廣角攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，能實(shí)時(shí)捕捉前方畫面并傳回到電腦或手機(jī)；無線接收模塊提供遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的功能?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 硬件選型

六足機(jī)器人的硬件模塊型號(hào)、規(guī)格及各部件的功能見

表1所列。

（1）驅(qū)動(dòng)模塊

六足機(jī)器人采用的是樹莓派專用擴(kuò)展板，板載獨(dú)立開關(guān)電源，保證樹莓派的供電穩(wěn)定；其具有2路PWM舵機(jī)接口，帶有1 A過流保護(hù)，從而提升使用安全性；其擁有6路總線舵機(jī)接口，方便機(jī)器人接線；其板載6軸傳感器IC，提升數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性；其擁有4個(gè)I2C接口，方便拓展；還引出多個(gè)GIPO引腳，方便開發(fā)。采用4PIN防反插接口，兼容各種傳感器。

（2）舵機(jī)

本文采用LX-224HV總線舵機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，總線控制方式是用數(shù)據(jù)與舵機(jī)通信，通過指令包的發(fā)送和接收獲取舵機(jī)當(dāng)前位置和需要抵達(dá)的位置，是一種閉環(huán)的控制形式。相比于PWM控制方式，總線控制舵機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每個(gè)舵機(jī)的單獨(dú)編號(hào)，能控制更多參數(shù)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)也更平順，方便后續(xù)動(dòng)作組的編輯與步態(tài)規(guī)劃。舵機(jī)編號(hào)及布局如圖6

所示[10-11]。

（3）攝像頭

六足機(jī)器人在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時(shí)需要依靠機(jī)器視覺技術(shù)，攝像頭是應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)時(shí)的重要元器件，它負(fù)責(zé)圖像采集，能夠?qū)⒉杉降耐獠繄D像傳送給主控核心，攝像頭分辨率為600萬像素，可采集彩色圖像，數(shù)據(jù)通信接口類型

為USB 2.0。

（4）超聲波傳感器

超聲波傳感器是將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的測(cè)量裝置，其具備頻率高、波長短、穿透性好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)距，使用超聲波傳感器能探測(cè)位于六足機(jī)器人前方的障礙物情況，聲波碰到障礙物時(shí)會(huì)反射回接收端，以便控制器及時(shí)作出反應(yīng)，調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)做好避障準(zhǔn)備，在路面地形復(fù)雜的情況下能很好地探測(cè)障礙物信息。

（5）無線通信模塊

SX1268無線通信模塊具有WiFi功能，支持TCP/UDP協(xié)議，可以支持開啟機(jī)器人熱點(diǎn)，供電腦或手機(jī)連接，抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)穩(wěn)定。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

六足機(jī)器人采用模塊化的程序設(shè)計(jì)法，利用樹莓派控制核心實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，首先要進(jìn)行主程序的設(shè)計(jì)。自動(dòng)模式主程序流程如圖7所示。

3.2 目標(biāo)跟蹤算法流程

目標(biāo)跟蹤的原理是先設(shè)定目標(biāo)的顏色，再在視野中尋找該顏色面積最大的輪廓。為了減少噪聲的干擾，需要判斷輪廓面積是否大于50 PPI，若大于50 PPI則認(rèn)為該面積有效，之后獲取其最小外接圓，求得圓心橫坐標(biāo)X及縱坐標(biāo)Y，若目標(biāo)圓心坐標(biāo)和圖像中心點(diǎn)坐標(biāo)偏差在20 PPI以上，則目標(biāo)不在圖像中心，需要計(jì)算PID修正量并發(fā)送給頭部舵機(jī)，調(diào)節(jié)攝像頭位置，使目標(biāo)處于圖像中心實(shí)現(xiàn)跟蹤。目標(biāo)跟蹤算法流程如圖8所示。

3.3 步態(tài)規(guī)劃程序設(shè)計(jì)

六足機(jī)器人行進(jìn)過程需要依靠事先規(guī)劃好的步態(tài)，步態(tài)規(guī)劃的本質(zhì)是控制機(jī)器人六條腿上的舵機(jī)來改變腿部關(guān)節(jié)的角度，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作。六足機(jī)器人自由度高，需要對(duì)18個(gè)

關(guān)節(jié)舵機(jī)加以控制，采用總線舵機(jī)方便對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)處的舵機(jī)編號(hào)；通過上位機(jī)軟件設(shè)置動(dòng)作組，執(zhí)行每個(gè)動(dòng)作組使得18個(gè)

舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)一定角度。表2所列為六足機(jī)器人所需動(dòng)作組文件及功能。

以低姿態(tài)前進(jìn)為例，包含4個(gè)動(dòng)作組，機(jī)器人順序執(zhí)行動(dòng)作組1～動(dòng)作組4，改變18個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的位置，其中關(guān)節(jié)舵機(jī)位置范圍為0～1 500°，見表3所列。執(zhí)行動(dòng)作組1時(shí)，左前足、左后足、右中足抬起并向前擺動(dòng)，右前足、右后足、左中足支撐身體；執(zhí)行動(dòng)作組2時(shí)，左前足、左后足、右中足落下，右前足、右后足、左中足向后擺動(dòng)，身體向前移動(dòng)；執(zhí)行動(dòng)作組3時(shí)，左前足、左后足、右中足向后擺動(dòng)，右前足、右后足、左中足抬起并向前擺動(dòng)；執(zhí)行動(dòng)作組4時(shí)，右前足、右后足、左中足落下。

4 實(shí)物功能展示

本文所設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人實(shí)物如圖9所示。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)，跟蹤效果如圖10所示，目標(biāo)能較好地保持在攝像頭視野中央，且目標(biāo)跟蹤較快，可以達(dá)到200 ms。在手動(dòng)控制時(shí)，可以通過手機(jī)APP端控制機(jī)器人前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退。

5 結(jié) 語

目標(biāo)跟蹤六足機(jī)器人以樹莓派為控制核心，可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，融合多種傳感器技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定跟蹤與行進(jìn)。后續(xù)的工作將進(jìn)一步優(yōu)化目標(biāo)跟蹤算法，提高目標(biāo)識(shí)別的效率，并豐富步態(tài)以提高機(jī)器人行走穩(wěn)定性。

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收稿日期：2023-08-15 修回日期：2023-09-15

基金項(xiàng)目：2023年無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（KJXJ234 29）；2023無錫市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)立項(xiàng)課題（KX-23-

C119）；2023年無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)課題（KJXJ23301）；機(jī)器視覺工程技術(shù)中心（KYPT 21304）

作者簡介：薛燁豪（1995—），男，江蘇無錫人，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化、機(jī)器視覺。