基于STM32的家庭服務機器人系統設計

摘要：為解決當前大部分家庭服務機器人不具備行走功能或只具有簡單的避障能力等問題，本文設計一種基于STM32的家庭服務機器人系統。整個系統由輪式機器人、XBee協調器、RFID智慧地板和上位機組成。輪式機器人由主板、傳感器模塊、射頻模塊、舵機模塊、電源模塊和機器人金屬主體組成，傳感器模塊包括電子羅盤、紅外傳感器和RFID讀卡器。主板以ARM Cortex-M3內核微處理器STM32F103VCT6為核心進行開發，采集傳感器模塊數據信息，實現機器人與XBee協調器之間的通信連接。該系統在模擬智能家居的環境下通過自主決策穩定和高效地完成設定任務，能夠滿足家庭服務機器人的應用要求。

引言

　　隨著人工智能和傳感器技術的發展，機器人已從工廠的結構化環境進入人們的日常生活環境，機器人不僅能自主完成工作，還能與人共同協作完成任務或在人的指導下完成任務^[1]。家庭服務機器人是智能家居系統[2]的一個重要組成部分，在生活中的作用越來越重要。當前，大部分的家庭服務機器人不具備行走功能或只具有簡單的避障能力，機器人的研究很多依賴于仿真實現，但是現實情況和仿真結果可能大相徑庭。也有一些研究將問題復雜化，反而走了更多的彎路。

　　針對當前家庭服務機器人的不足和現代智能服務機器人的要求，本文提出一種基于STM32的家庭服務機器人系統的設計方案。該方案模擬智能家居環境，簡化了定位方式，有效地利用了ZigBee技術低成本、低功耗的特點^[3]，設計出一個合適大小的輪式機器人進行試驗，試驗結果表明機器人能夠實現預期目標并體現出較強的自主決策能力。

1 系統整體設計方案

　　整個家庭服務機器人系統主要由四部分組成，包括鋪滿RFID智慧地板的模擬智能家居環境、移動的輪式機器人、XBee協調器以及上位機。

　　智能家居環境設計長為3.25米，寬為2米，鋪滿RFID智能地板，分隔成廚房和客廳兩個房間，中間的房門寬0.3米。廚房有水槽、擱板、智能冰箱等電器，客廳有餐桌、餐椅等。RFID智能地板的排列信息給機器人提供準確定位。輪式機器人負責往返廚房與客廳之間給服務對象運送物品，是整個系統的核心部分。XBee協調器是基于ZigBee技術的無線傳輸模塊，負責數據快速穩定地傳遞。上位機主要負責數據的接收、處理和控制指令的下達等。

2 系統工作原理和流程

　　系統的主要工作流程是：上位機輸入任務命令，該命令通過XBee協調器發送給輪式機器人。機器人收到任務命令后從休眠模式啟動，讀取智能地板RFID定位信息，將該實時位置信息上傳到上位機，以顯示機器人運動軌跡。機器人通過傳感器模塊檢測自身姿態和周圍障礙物情況，自主決策移動至目標位置抓取物品，運送到最終目標位置給服務對象使用。其中，輪式機器人是整個系統設計的重點。

2.1 XBee協調器工作流程

　　XBee協調器是最先啟動的XBee網絡節點，主要完成XBee網絡的組網功能和數據的收發功能，其中組網功能包括XBee網絡的建立和子節點的入網。

　　首先，在XBee協調器上電復位后對包括硬件和軟件的各個模塊進行初始化。然后，開始掃描信道、進行能量檢測、選擇信道以及選擇合適的PAN ID。成功之后就廣播網絡ID、信道，XBee網絡就建立了。之后，XBee協調器進入監聽狀態，等待子節點發送入網請求信號，收到入網請求后協調器允許子節點入網并分配網絡短地址給子節點，這就實現了節點的入網功能。最后，XBee協調器將上位機數據發送給子節點射頻模塊，啟動輪式機器人，在收到來自子節點的數據請求后，將接收數據并通過串口線傳輸給上位機，這就是數據的收發功能。

2.2 輪式機器人工作流程

　　輪式機器人是任務的執行設備，往返于廚房和客廳兩個房間之間，準確和高效地執行用戶對象發送的各種命令任務，并發送機器人坐標數據給XBee協調器進行以下工作。

　　首先，輪式機器人上的XBee模塊需要初始化和發送入網請求，實現節點入網。然后，XBee模塊接收XBee協調器傳輸的任務命令數據，主板對各傳感器模塊初始化。RFID讀卡器讀取智能地板坐標數據，發送給XBee協調器。電子羅盤獲取機器人當前的姿態信息。紅外傳感器檢測機器人所處環境的障礙物距離，主板控制啟動由左右兩個連續旋轉舵機組成的移動輪。機器人通過自主決策規劃路徑，移動至目標位置，啟動機械臂抓取物品，其中機械臂由多個角度舵機組成。在機械臂保持抓取物品的狀態下，再次規劃路徑移動至最終地點，機械臂準確將物品放在目標位置。完成任務后機器人回到起始位置，進入休眠模式。

3 關鍵環節設計

3.1 機器人硬件結構設計

　　輪式機器人采用模塊化的設計原則，使機器人的設計為模塊化方式，并采用分層控制，有利于綜合性能的發揮^[4] 。將機器人系統分為五個部分：主板、傳感器模塊、無線射頻模塊、舵機模塊和電源模塊。輪式機器人的結構框圖如圖1所示。

3.1.1 主板

　　主板是針對該輪式機器人設計，采用ARM Cortex-M3內核的STM32F103VCT6處理器，主板資源包括SDRAM、NAND Flash，UART接口、GPIO接口、SPI接口和JTAG接口。輔助的資源有USB接口、定時器等。

　　主板的設計專門為射頻模塊、傳感器模塊和機械臂模塊提供了接口，簡化了電路結構，使控制器集成度更高，運行更加穩定和高效，從而節約硬件成本。