基于STM32的書童機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧亮才，肖衛(wèi)初, ，黃楚喻，袁子玄，黎梓昕

(1. 湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南 益陽 413000；2. 全固態(tài)儲能材料與器件湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 益陽 413000)

隨著“二胎政策”的全面實(shí)行，中國的兒童數(shù)量急劇增多，隨之出現(xiàn)的問題就是孩子的教育問題.由于生活壓力，不管城市還是農(nóng)村的父母基本上都是忙于工作，特別是農(nóng)村家庭，父母經(jīng)常不在家，這就導(dǎo)致許多孩子變?yōu)榱羰貎和?隨著信息化時(shí)代的到來，人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展.目前市場上的陪伴機(jī)器人，其功能簡單且價(jià)格昂貴，對于普通家庭來說并不是理想的選擇.因此，研究一款性價(jià)比高的書童機(jī)器人很有必要.

近年來，隨著兒童教育機(jī)器人的市場不斷擴(kuò)大，國內(nèi)外的科研工作者對機(jī)器人的研究熱情不斷高漲.文獻(xiàn)[1]給出了一款基于ARM 的多自由度人形教育機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，它采用高集成度的 ARM 7 系列處理器，可以產(chǎn)生 17 路PWM 波控制舵機(jī)進(jìn)而控制機(jī)器人的動作，缺點(diǎn)是動作調(diào)試太過麻煩，每次都需要重新對程序進(jìn)行下載.為了能夠進(jìn)行更加方便的動作調(diào)試，文獻(xiàn)[2]提出了一種 17 自由度仿真人形教育機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用總線舵機(jī)和串口通信協(xié)議，用定時(shí)器產(chǎn)生17 路PWM 波控制機(jī)器人的各關(guān)節(jié)，且可使用上位機(jī)軟件調(diào)試動作，相對于直接用程序控制，上位機(jī)調(diào)試更加方便和快捷，但其缺點(diǎn)是功能較少，僅僅對17 自由度機(jī)器人進(jìn)行了動作開發(fā).為了給機(jī)器人增加更多的功能，文獻(xiàn)[3]給出了一種基于STC12 單片機(jī)的17自由度娛樂教育機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，它除了實(shí)現(xiàn)基本的動作功能之外，還增加了紅外光檢測來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障，同時(shí)支持用語音和無線遙控2 種操控方式控制機(jī)器人，并且還實(shí)現(xiàn)了音樂播放功能，但其缺點(diǎn)是機(jī)器人的主控性能過低，無法進(jìn)行更多復(fù)雜功能的開發(fā).

綜上，書童機(jī)器人的研究重點(diǎn)是選取一款性價(jià)比高的主控芯片來實(shí)現(xiàn)諸多實(shí)用功能，并能方便快捷地進(jìn)行動作調(diào)試.基于此，本文擬采用STM32 芯片來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款功能較完備的智能書童機(jī)器人控制系統(tǒng).該機(jī)器人共有 17 個自由度，可隨時(shí)感應(yīng)前方障礙物并作出反應(yīng)，還可根據(jù)環(huán)境的光照強(qiáng)度自動開啟照明燈；支持按鍵、手機(jī)、觸摸屏和語音4 種操控方式；通過可充電鋰電池3.7 V 升5 V 充電寶模塊給主控系統(tǒng)供電，能實(shí)現(xiàn)電池反復(fù)利用.

1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用STM32F407ZGT6 作為書童機(jī)器人的主控芯片；電源采用2 節(jié)18650 電池并聯(lián)，以及1 個3.7 V 升5 V 雙USB 充電寶模塊，可以使用數(shù)據(jù)線給主控和攝像頭供電；采用Open MV4構(gòu)建視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)書童機(jī)器人的拍照和人臉識別功能，再搭配WINC1500 WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能[4-5]；DHT11 溫濕度傳感器、光敏傳感器和超聲波傳感器分別用來檢測外界的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和前方物體距離；LCD 顯示屏用來顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

書童機(jī)器人的本體均采用高扭矩、虛位小、高精度和高反應(yīng)的數(shù)字舵機(jī)，24 路舵機(jī)驅(qū)動板可通過上位機(jī)進(jìn)行書童機(jī)器人的動作調(diào)試，主控芯片利用串口調(diào)用已調(diào)試好的動作；MP3 模塊通過串口調(diào)用并播放MP3 和WAV 格式的音頻[6]；此外，系統(tǒng)還移植中文字庫到主控模塊的 W25Q128 Flash 芯片，用來實(shí)現(xiàn)中文漢字的顯示[7]；采用4×4矩陣鍵盤、HC-05 傳輸模塊、4.3 寸LCD 觸摸屏和LD3320 語音識別模塊，實(shí)現(xiàn)智能書童機(jī)器人的4 種操控方式.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 24 路舵機(jī)驅(qū)動板單元

機(jī)器人本體的17 個數(shù)字舵機(jī)采用24 路舵機(jī)驅(qū)動板進(jìn)行控制，其核心是STM32F103RBT6 芯片，如圖2 所示.該驅(qū)動板可以產(chǎn)生24 路穩(wěn)定的PWM 波；可提供1 個2 座供電接口和1 個Micro USB 接口，通過數(shù)據(jù)線連接上位機(jī)和給外部系統(tǒng)供電；提供1 個串口通信的接口；集成的穩(wěn)壓/過載保護(hù)電路可以使24 路舵機(jī)驅(qū)動接口的輸出電壓保持穩(wěn)定；電壓測量/報(bào)警電路檢測到電壓低于閾值時(shí)，會觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警[8-9].

圖2 24 路舵機(jī)驅(qū)動板單元結(jié)構(gòu)

2.2 Open MV4 攝像頭單元

Open MV4 攝像頭單元可實(shí)現(xiàn)拍照、人臉識別和視頻監(jiān)控等功能.它以 STM32F743VIT6 芯片作為主控，搭載1 個30 萬像素的OV7725 攝像頭，攝像頭內(nèi)置圖像算法，可以通過調(diào)用這些算法來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；集成1 個TF_card 接口，可以插入 TF 卡或者內(nèi)存卡來保存攝像頭拍攝的圖片和視頻；使用USB 或者3.7 V 鋰電池給Open MV4 攝像頭供電；利用GPIO 口連接各功能模塊或與其他單片機(jī)通信；Open MV4 通過P4 和P5 IO口與書童機(jī)器人的主控進(jìn)行串口通信.攝像頭單元結(jié)構(gòu)如圖3 所示.

圖3 Open MV4 攝像頭單元結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，書童機(jī)器人本體和各功能模塊進(jìn)行初始化，開啟手機(jī)藍(lán)牙，無線連接書童機(jī)器人，顯示屏?xí)@示當(dāng)前的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和前方障礙物的距離(若環(huán)境的光照強(qiáng)度過低，機(jī)器人會自動開啟照明燈)；通過按鍵、手機(jī)、語音和觸摸屏 4 種方式來操控書童機(jī)器人的動作(書童機(jī)器人行走過程中可開啟自動避障功能)，可以完成即時(shí)開啟或關(guān)閉照明燈、場景拍照、人臉識別、音頻播放和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控(連接書童機(jī)器人的熱點(diǎn)，通過手機(jī)或者電腦查看)等功能[10-11].系統(tǒng)主程序流程如圖4 所示.

3.1 舵機(jī)通信協(xié)議

主控通過串口和24 路舵機(jī)驅(qū)動板進(jìn)行通信，24 路舵機(jī)驅(qū)動板的串口波特率配置為9 600.首先，用上位機(jī)軟件調(diào)試好書童機(jī)器人的動作；其次，保存動作文件至24 路舵機(jī)控制板；最后，主控調(diào)用動作文件完成機(jī)器人的各種動作控制.

舵機(jī)通信協(xié)議如表1 所示.協(xié)議約定數(shù)據(jù)的前2 位為0x55 的幀頭；其后是數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)長度的值為本身占用的1 個字節(jié)數(shù)加上后面的指令和參數(shù)的個數(shù)N，即N+2；最后面是控制指令及其參數(shù)列表，不同控制指令的參數(shù)列表位數(shù)不同；按協(xié)議編寫的代碼可控制單個舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行保存在舵機(jī)驅(qū)動板里的動作，以及獲取電池電壓等功能參數(shù)[12].

3.2 Open MV4 程序流程

首先，配置好要創(chuàng)建的熱點(diǎn)名稱、密碼和端口號；其次，初始化攝像頭傳感器；最后，初始化Open MV4 的串口3，波特率設(shè)置為9 600，重置紅、綠、藍(lán) 3 個 LED 燈.主控與 Open MV4用杜邦線通過串口通信，主控發(fā)送指令后，Open MV4 判斷它是否是拍照保存、人臉識別或視頻監(jiān)控命令.如果命令是拍照保存，那么設(shè)置將要拍照的圖像格式和分辨率，紅燈亮2 s，提示用戶準(zhǔn)備，然后紅燈滅藍(lán)燈亮開始拍照，利用save 函數(shù)保存拍攝圖片到 SD 卡的指定路徑，改變圖片的文件名以防止重復(fù)覆蓋先前的圖片，藍(lán)燈滅表示拍照完成；如果命令是人臉識別，那么設(shè)置圖像格式為灰度圖，并設(shè)置好圖像分辨率，拍攝當(dāng)前人臉，提取圖片的LBP 特征與SD 卡中預(yù)先保存的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若其結(jié)果在閾值范圍內(nèi)就使綠燈亮1 s，提示識別成功；如果主控命令是視頻監(jiān)控，則連接并初始化WINC1500 WiFi 模塊，設(shè)置好圖像格式和分辨率，創(chuàng)建 AP 熱點(diǎn)和服務(wù)器套接字，綁定熱點(diǎn)并進(jìn)行監(jiān)聽，利用accept 函數(shù)處理連接請求，連接成功后，傳輸 JPEG 視頻流到客戶端瀏覽器，同時(shí)，異常處理機(jī)制會一直持續(xù)捕捉異常情況并及時(shí)予以提示.

圖4 系統(tǒng)主程序流程

表1 舵機(jī)通信協(xié)議

4 測試結(jié)果與分析

該書童機(jī)器人共有17 個自由度，分別用17個數(shù)字舵機(jī)控制，其中頭部1 個，手臂各3 個，腿各5 個；書童機(jī)器人的主控單元放在胸部；其頭部采用數(shù)字單軸舵機(jī)和 Open MV4 攝像頭(攝像頭背面安裝LCD 顯示屏)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人頭部轉(zhuǎn)動和現(xiàn)場視頻、圖像采集；集成的 4.3 寸接觸式電容顯示屏負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和機(jī)器人控制；機(jī)器人左右肩部各安裝了1 個照明燈，通過4 種操控方式均可控制該照明燈；肩部安裝的溫濕度模塊、超聲波模塊和光敏電阻傳感器模塊，作為書童機(jī)器人的觸覺系統(tǒng)，檢測外界環(huán)境并對一些特殊情況作出反應(yīng)；機(jī)器人背部的24 路舵機(jī)驅(qū)動板可驅(qū)動17 個舵機(jī)分別控制書童機(jī)器人的各種動作.書童機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5 所示.

4.1 操控測試

手機(jī)藍(lán)牙和觸摸屏的操控測試界面如圖6 所示.首先，打開藍(lán)牙調(diào)試器APP，找到“book boy”這個藍(lán)牙名稱；其次，點(diǎn)擊“book boy”藍(lán)牙后面的“+”圖標(biāo)，添加設(shè)備并連接成功；最后，點(diǎn)擊控制按鈕，進(jìn)入手機(jī)控制界面，如圖6(a)所示.

圖5 書童機(jī)器人樣機(jī)

圖6 操控測試

LCD 觸摸屏操控界面如圖6(b)所示，其下面部分是控制界面，每個不同的功能都用相應(yīng)的漢字加上矩形框顯示，只需要點(diǎn)擊對應(yīng)的位置就可以控制并實(shí)現(xiàn)書童機(jī)器人的不同功能[13].

4.2 動作測試

在光滑地面上用黑膠布粘貼成十字型，將書童機(jī)器人正放在十字的交叉點(diǎn)，正常啟動后，依次點(diǎn)擊手機(jī)控制界面的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)按鈕，可以實(shí)現(xiàn)書童機(jī)器人的對應(yīng)動作.測試效果如圖7 所示.

圖7 動作測試

4.3 人臉識別測試

點(diǎn)擊觸摸屏上的人臉識別按鈕，依次將Open MV4 攝像頭對準(zhǔn)已將人臉數(shù)據(jù)保存在圖像庫中的測試員和未保存人臉數(shù)據(jù)的測試員，觀察攝像頭后方的LCD，確保人臉被完整拍攝.如果識別到當(dāng)前人臉為人臉圖像庫(圖像識別庫目前只保存1 張人臉圖像)已保存的人臉，Open MV4 攝像頭的綠燈就會亮起；如果人臉無法識別或數(shù)據(jù)匹配不成功，那么無現(xiàn)象[14]，效果如圖8 所示.

圖8 人臉識別測試

從圖 8(a)可以看出，識別已保存人臉圖像數(shù)據(jù)的測試員時(shí)，Open MV4 的綠燈亮起，說明當(dāng)前人臉識別、匹配成功；圖 8(b)則表明，對另一名未保存人臉數(shù)據(jù)的測試員進(jìn)行識別時(shí)，Open MV4 的綠燈沒有亮起，這說明當(dāng)前人臉沒有識別、匹配成功.

4.4 視頻監(jiān)控測試

首先，打開手機(jī)WiFi 功能，進(jìn)入WiFi 搜索界面；其次，點(diǎn)擊觸摸屏上的視頻監(jiān)控按鈕，書童機(jī)器人主控即會通過串口發(fā)送視頻監(jiān)控指令給Open MV4 攝像頭，Open MV4 開始連接并初始化WINC1500 WiFi 模塊，并且創(chuàng)建一個名字為OPENMV_AP 的熱點(diǎn)；最后，連接熱點(diǎn)，打開手機(jī)瀏覽器(也可以用電腦操作)，輸入192.168.1.1:8080，若能順利進(jìn)入系統(tǒng)并且看到實(shí)時(shí)視頻圖像，就說明該智能書童機(jī)器人具有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的功能[15].測試效果如圖9 所示.

圖9 視頻監(jiān)控測試

從圖9 可以看出，手機(jī)界面有實(shí)時(shí)視頻顯示，這表明書童機(jī)器人遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能正常.

5 結(jié)論

采用性價(jià)比較高的STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為書童機(jī)器人的主控，能夠?yàn)闀瘷C(jī)器人實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的功能提供良好的硬件支撐.該書童機(jī)器人具有 4 種操控方式，采用自帶圖像算法的Open MV4 攝像頭，實(shí)現(xiàn)了拍照保存、人臉識別和視頻監(jiān)控等功能；它還能夠檢測周圍溫度、濕度、光照強(qiáng)度和障礙物距離，且自帶音頻播放功能.然而，該智能書童機(jī)器人還有一定的改進(jìn)空間，如通過系統(tǒng)移植、添加通信模塊和界面設(shè)計(jì)優(yōu)化來進(jìn)一步提升其實(shí)際操作體驗(yàn).