輕松實(shí)現(xiàn)交互式機(jī)器人小車設(shè)計(jì)，提供軟硬件設(shè)計(jì)指南

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

交互式機(jī)器人小車主要是將語(yǔ)音的交互、視頻的傳送、動(dòng)作的捕捉等功能結(jié)于一體，幫您實(shí)現(xiàn)視覺、聽覺的拓展，無(wú)限縮短您與您家人的距離。它將采用具有超強(qiáng)的音頻解碼和流媒體處理能力的AT32UC3A0512作為核心；以Wi-Fi模塊作為傳輸和控制的介質(zhì)，從而有效保證媒體質(zhì)量；用兩驅(qū)三輪小車作為載體，充分確保小車定位與導(dǎo)航的靈活性。兩塊60mm*100mm左右的太陽(yáng)能電池板，在陽(yáng)光充足時(shí)可提供近2w左右的功率，讓小車可以快速完成自動(dòng)充電的過(guò)程。而自動(dòng)尋光模塊則解決了小車如何自動(dòng)充電的問(wèn)題，它主要由光敏傳感器和微控制器中的蟻群算法構(gòu)成，確保小車可以快速尋找到光源最充足的地方。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

社會(huì)節(jié)奏越來(lái)越快，父母、孩子、工作似乎已很難兼顧，而我們的交互式機(jī)器人小車將為您排解這一憂慮。它可以讓您無(wú)論身在何方都可與您的孩子進(jìn)行互動(dòng)式游戲；向您遠(yuǎn)在家鄉(xiāng)的父母發(fā)出一聲深情的問(wèn)候；還可在家中巡視。當(dāng)然現(xiàn)在家用機(jī)器人的安全問(wèn)題已成為我們不得不面對(duì)的難題，我們的交互式機(jī)器人小車作為家用機(jī)器人中的一員，您可能也會(huì)發(fā)出它會(huì)不會(huì)泄露家庭隱私的疑問(wèn)。在此我們不能保證絕對(duì)安全，但會(huì)為您構(gòu)建專門的VPN通道，將我們的機(jī)器人小車的安全做到最好。同時(shí)在能源方面，我們?cè)O(shè)計(jì)的是太陽(yáng)能充電和手動(dòng)充電結(jié)合。在空閑模式時(shí)，機(jī)器人小車會(huì)自動(dòng)尋光進(jìn)行太陽(yáng)能充電，這樣可以基本省去您充電的麻煩。

二、需求分析

2.1 功能要求

①、對(duì)EVK1105上的USB進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與常用免驅(qū)攝像頭的直接連接，并從中完成高分辨率的視頻圖像的信息提取。

②、結(jié)合Wi-Fi模塊和EVK1105板上的網(wǎng)絡(luò)模塊將我們的機(jī)器人小車連接到Internet上，當(dāng)然在其中我們會(huì)申請(qǐng)VPN通道，從而確保信息的安全。

③、可以將視頻和聲音通過(guò)WiFi傳到Internet上，同時(shí)可與對(duì)應(yīng)客戶端進(jìn)行信息的傳遞。

④、可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)語(yǔ)音通信，如QQ、MSN軟件中的語(yǔ)言聊天

⑤、空閑時(shí)交互式機(jī)器人小車可以自動(dòng)尋光，并利用太陽(yáng)能電池板對(duì)電池充電

⑥、攝像頭可以3自由度旋轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)互動(dòng)式操作

⑦、小車可以自動(dòng)定位和導(dǎo)航，自動(dòng)躲避障礙，對(duì)障礙的盲區(qū)一般可控制到2cm范圍以內(nèi)。

⑧、當(dāng)遇到撞擊的情況，可通過(guò)振動(dòng)傳感器進(jìn)行有效檢測(cè)，再回到原位從新避過(guò)。

2.2 性能要求

充分利用EVK1105板上資源；可實(shí)現(xiàn)高清視頻的獲取及傳送；可完成即時(shí)的語(yǔ)音交互，延時(shí)不超過(guò)1秒；可以直接越過(guò)3cm高的臺(tái)階；可以續(xù)航10小時(shí)，陽(yáng)光充足時(shí)可實(shí)現(xiàn)6小時(shí)把電充滿；鋁合金打造堅(jiān)不可摧，能承受高強(qiáng)度撞擊。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

我們的交互式機(jī)器人小車主要可以分為EVK1105核心控制模塊、Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、傳感器信號(hào)采集模塊、視頻語(yǔ)音采集模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、太陽(yáng)能充電模塊和車體模型七大模塊。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

圖（1）：交互式小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)模塊我們暫時(shí)考慮用無(wú)線路由器再結(jié)合EVK1105上的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模塊來(lái)構(gòu)建，暫不詳述。下面將著重介紹傳感器信號(hào)采集模塊、視頻語(yǔ)音采集模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（包含舵機(jī)控制）、太陽(yáng)能充電模塊的基本原理：

3.1.1、傳感器信號(hào)采集模塊

在這一模塊中我們主要用到了ADXL345三軸加速度傳感器、避障用的紅外光電傳感器（經(jīng)試驗(yàn)這樣避障會(huì)產(chǎn)生較大盲區(qū)，如算法優(yōu)化不成功我們可能會(huì)以超聲波測(cè)距模塊替換）、霍爾元件、震動(dòng)傳感器、光傳感器。在這一模塊中除裝備了必要的傳感器外，我們還將為它留下充足的傳感器拓展口，以方便以后進(jìn)行功能的拓展和一些性能方面的改進(jìn)。

其中ADXL345是一款高精度數(shù)字式的三軸加速度傳感器，它具有在16G下高分辨率（13Bit）測(cè)量能力，同時(shí)支持SPI和I2C通信方式。有了它便可有效的檢測(cè)出小車的運(yùn)動(dòng)路徑，還確保了機(jī)器人小車行駛過(guò)程中的平穩(wěn)。具體模型如下：

設(shè)機(jī)器人的初始位置為( X 0，Y 0 )，對(duì)x 軸的初始偏角為α0 ，經(jīng)過(guò)單位時(shí)間t 后機(jī)器人的位置 (Xt，Yt)為：

X=2Rsin(R/2)cos(α0 +β/2)+X0

Y=2Rsin(R/2)sin(α0 +β/2)+Y0

光電傳感器用于對(duì)障礙的檢測(cè)，它的有效檢測(cè)距離可達(dá)30cm且不受光線強(qiáng)弱影響，具體連接如圖（2）所示。小車的速度檢測(cè)我們是通過(guò)霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體原理是在車輪加上強(qiáng)磁體，然后讓MCU根據(jù)霍爾元件傳會(huì)的脈沖定時(shí)，再結(jié)合車輪直徑便可算出車速。震動(dòng)傳感器則用于檢測(cè)車體是否發(fā)生碰撞。光傳感器主要是為太陽(yáng)能自動(dòng)充電服務(wù)的，有點(diǎn)類似于一般的智能車自動(dòng)尋找點(diǎn)亮的蠟燭并將其熄滅的過(guò)程。而我們的光傳感器傳回的主要是模擬信號(hào)，因此要先對(duì)其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果分析光的強(qiáng)弱。

3.1.2、視頻語(yǔ)音采集模塊

在本系統(tǒng)中我們暫時(shí)使用的是一般的免驅(qū)攝像頭加CH374來(lái)獲取的，但在EVK1105我們會(huì)考慮直接加驅(qū)動(dòng)連接獲取。對(duì)于語(yǔ)音的采集，雖然攝像頭中內(nèi)置了麥克風(fēng)，但我們?cè)囼?yàn)發(fā)現(xiàn)效果并不好，對(duì)于這一問(wèn)題我們考慮用外置麥克風(fēng)解決。

3.1.3、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

具體原理圖如下所示。這一模塊主要用對(duì)小車速度和方向的控制，MCU只要為其提供2路PWM信號(hào)和兩路方向信號(hào)即可。

圖（3）：L298N電路原理圖

3.1.4、太陽(yáng)能充電模塊

這一模塊我們主要用滴膠太陽(yáng)能電池板和DC-DC升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體原理圖如下所示：

圖（4）：DC—DC升壓電路

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

由于考慮到本系統(tǒng)對(duì)視頻和語(yǔ)音的要求比較高，因此我們選擇具有強(qiáng)大的音頻解碼和流媒體處理能力的EVK1105硬件平臺(tái)作為核心控制器，并且EVK1105在USB模塊方面的配備和引導(dǎo)將為我們的設(shè)計(jì)提供極大的方便。在我們的交換式機(jī)器人小車中將EVK1105將作為一USB主機(jī)，通過(guò)相應(yīng)USB驅(qū)動(dòng)從攝像頭中獲取視頻信號(hào)并由板上的液晶模塊顯示。同時(shí)USB還負(fù)責(zé)一個(gè)音響的控制，實(shí)現(xiàn)音頻的播放。而我們的Wi-Fi模塊主要依賴與EVK1105的網(wǎng)絡(luò)拓展，通過(guò)EVK1105相關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的引導(dǎo)，我們會(huì)構(gòu)建一簡(jiǎn)單的Web Server，然后只需通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)這個(gè)Web Server便可獲取相關(guān)信息或?qū)π≤噷?shí)行相應(yīng)的控制。而我們的電機(jī)和舵機(jī)控制用的PWM信號(hào)將由AT32UC3A0512的相應(yīng)I/O提供，傳感器模塊及其它相關(guān)輸出操作則由普通I/O口完成。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖（5）：系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程

從流程圖中可以看出我們的機(jī)器人小車在空閑時(shí)會(huì)自動(dòng)尋找光源，當(dāng)找到充足的光源后它充電的同時(shí)會(huì)進(jìn)入睡眠模式，這樣可以把能源的消耗降到最低。如果在這時(shí)有控制申請(qǐng)，系統(tǒng)會(huì)以中斷的方式喚醒AT32UC3A0512。在進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄操作時(shí)首先要通過(guò)身份驗(yàn)證，同時(shí)為了保證信息的安全我們還會(huì)為其配備專門的VPN通道。驗(yàn)證通過(guò)后，系統(tǒng)則自動(dòng)將檢測(cè)到得信息先處理，在進(jìn)行打包發(fā)送。在視頻顯示環(huán)節(jié)，EVK1105板上顯示器要同步顯示。當(dāng)信息發(fā)送完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)接受緩存區(qū)是否有數(shù)據(jù)。如有則接受相應(yīng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行分離，具體如上流程圖所示。

圖（6）：程序運(yùn)行流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在有網(wǎng)絡(luò)的情況下，只需登錄相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)并通過(guò)身份驗(yàn)證，就可與機(jī)器人小車周圍的人交談。還可通過(guò)遠(yuǎn)程控制小車，觀察小車周圍的任意場(chǎng)景。小車的攝像頭可以隨著客戶端鼠標(biāo)的上下左右移動(dòng)而一起移動(dòng)，方便對(duì)任意角度的觀察?？刂茣r(shí)只需在接受的視頻上移動(dòng)鼠標(biāo)點(diǎn)中想讓小車到達(dá)的目的地，它便可自動(dòng)到達(dá)。或者也可直接為它設(shè)置行進(jìn)路徑，就如一些游戲中目標(biāo)的路徑移動(dòng)一樣。在不對(duì)小車進(jìn)行操作時(shí)，機(jī)器人小車會(huì)進(jìn)入空閑模式。此時(shí)小車會(huì)根據(jù)時(shí)間判斷是否自動(dòng)尋找光源，當(dāng)尋找到光源時(shí)小車則進(jìn)入睡眠模式并進(jìn)行充電。小車尋找目的地時(shí)可以自動(dòng)辨別最優(yōu)路徑，在行進(jìn)過(guò)程中如遇到障礙會(huì)自動(dòng)躲避，如發(fā)生意外撞擊則先歸位再自行繞開。