基于STM32的景點向導機器人系統設計

梁文靜，董軍堂，黃志，陳雷雷

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西延安，716000）

0 引言

隨著全世界第三產業的繁榮發展，人們對服務行業要求越來高，對服務體驗更加注重，越來越多的服務型機器人投入市場。向導類機器人作為龐大服務機器人體系中的一個分支，有著廣闊的應用前景與巨大的市場潛力。然而通過查閱資料顯示，在市面上現存的機器人，絕大多數都是為了顧客提供更加多樣化的體驗，這和目前該類機器人發展的現狀密不可分的聯系。但市面上大多數機器人都僅能應用于室內，應用場景有限并且價格十分高昂。實際上，向導型機器人已經登上了人類舞臺，我們應該讓它們的作用更加豐富，使游客有更好的體驗。

據此，我們結合市場需求并以現有的技術為基礎，設計了一種新型的向導機器人，它主要針對景區，起到介紹部分景區文化以及引領游客的作用。我們的機器人具有自動循跡避障，自動返航，太陽能供電技術，語音播報等功能，多方面多程度的解決現有機器人的弊端。游客可以通過掃碼的方式啟用向導機器人，機器人便會帶領著游客在游客選擇的路線進行講解，引導游客。科技與現實的碰撞，有效解決了一些人工服務的不足之處，使游客有更好的游覽體驗。這類向導機器人可以廣泛應用于一些景區，如楊家嶺革命舊址，棗園等歷史性景區、蘇州園林等觀賞類景區，也可應用于各類博物館展覽廳科技館的講解，大型車站、機場的導航，亦或是大學校園，用來解決新生報到時不識路、效率慢、環境陌生等難題，具有廣泛的社會經濟效益。

1 機器車體

機器人在工作時需要適應室內外的環境，不論是高溫或者寒冷，以及潮濕等等天氣環境下都可以正常工作，并且具有較強的爬坡能力，體積中等，可以存儲游客的行李等。

為此我們需要使用的是較高性能的直流電機，它不但可以提供足夠充分的動力，也可以基本滿足部分觀賞類景點的爬坡要求；預備選用不銹鋼材料制作機器人主體，提高機器人的使用年限以及環境適應能力，并且在表面使用防曬漆，保證小車內部溫度不會過熱產生不安全因素。小車高度大概一米，四輪結構，前面為轉向輪控制小車行進方向，保證小車平衡，后兩輪為驅動輪，負責小車行進及其速度。如圖1所示。

圖1 車體結構示意圖

2 系統設計

本文選擇STM32F103C8T6為主控制芯片，除機器車體設計外，主要模塊分為機器人驅動以及電機測速模塊、雙模定位模塊、超聲波避障模塊、語音輸入模塊及語音播報模塊五個部分。整體設計框圖如圖2所示。

圖2 整體設計框圖

2.1 驅動方式

目前，直流電動機在小車領域占據著十分重要的地位，主要歸功于其起動速度快、調速范圍廣，維修簡單便宜，帶負載能力強等優點。尤其近幾年來，運用傳統的PID控制與數字計算機調節器組成控制系統，可以大幅度減少機器人誤差的累計而導致的影響，使機器人的運動相對而言更加的穩定，可控。綜合該系統對于直流電機的需要，使用JGB37-520直流編碼電機。

在直流電機的驅動問題上，使用專用的電機驅動芯片。使用驅動芯片相對于采用三極管級聯的驅動方式，更加穩定可靠，抗干擾能力強，也相對減少了對硬件電路的考慮，這類芯片常見的主要有L298N、BTN7960、A4950、IR2101等等。本此設計選取L298N驅動芯片，內置雙H橋驅動電路。其電路圖連接如圖3所示。

圖3 L298N驅動外圍電路

2.2 電機轉速檢測

在直流電機的選用方面，選取JGB37-520直流編碼電機，這類型的直流電機中自帶編碼器，通過電機軸帶動磁性轉子轉動，由于霍爾效應磁性轉子與霍爾元件內部半導體相互作用產生穩定頻率數字脈沖信號，單片機通過對數字脈沖信號進行測頻校正可以實時監控電機轉速，為PID控制提供可靠的基礎和保障。具體參數如表1所示。

表1 JGB520電機參數

9 LOGIC SUPPLY VOLTAGEVss 邏輯控制電路的電源輸入+5V 10 INPUT 3 內置驅動器B的邏輯輸入端1 11 ENABLE B 內置驅動器B的使能端12 INPUT 4 內置驅動器B的邏輯輸入端2 13 OUTPUT3 內置驅動器B的輸出的1，接電機B+14 OUTPUT4 內置驅動器B的輸出的2，接電機BJGB-520后出軸電機參數（額定電壓6V）減數比 6.25 10空載電流mA 70 70空載扭力kg·cm 0.4 0.5額定電流A 0.45 0.45長度 19 19額定轉速 800 500停轉電流 1.2 1.2

2.3 PID實現

采用離散型增量式PID，單片機根據本次檢測到的轉速和設定值的比較可以獲得一個值，通過脈寬調制調速原理（PWM）對偏差進行PID補償，實際上就是調節電機兩端的平均電壓，使電機轉速逐漸接近設定值，如此實現了對電機轉速的閉環控制。

PID控制算法流程圖如圖4所示。

圖4 PID控制算法流程圖

3 超聲波測距避障

3.1 超聲波測距原理及HC-SR04

聲音在常溫空氣中的傳播速度為340m/s，通過公式S=(V·T)/2；T為發射器發射超聲波到接收器接收到超聲波的時間。HC-SR04模塊是一種短距離的超聲波測距模塊，在10～380cm區間段有著良好的測距能力，性能穩定。使用HC-SR04模塊利用超聲波測距避障既能達到設計要求又能控制制作成本。圖5為過程中部分超聲波時序圖。

圖5 超聲波時序

3.2 超聲波測距及避障的實現

在具體實現的過程中，首先通過單片機提供的信號使IO口中trig有效從而觸發測距，使用過程中需要提供10μs以上的電平信號這里將trig置高為20μs。該模塊可以自動發送一定頻方波并且自動檢測是否有有效信號返回。如果檢測到有信號返回則超聲波的echo管腳向單片機傳輸一段持續的低電平信號，同時單片機觸發時鐘打開定時器開始計時，當該低電平信號跳變為高電平信號時單片機定時器計時結束傳出時間數據。單片機通過對傳出的時間信號進行換算可得出所測距離。測距流程圖如圖6所示。

圖6 測距流程圖

由單片機計算出距離之后，如果距離大于設定值則正常行進，當距離小于設定值時，機器人暫且停止，等待系統規劃新路線進行避障或者重新選取最優路線。避障流程圖如圖7所示。

圖7 避障流程圖

4 北斗GPS雙模定位

雙模定位模塊采集機器人及具體景點的位置信息，將雙模定模塊采集到的定位信息通過設定的串口發送給單片機，期間使用的協議為NMEA-0183協議。通過4G5G通信網絡實現數據的實時傳輸；由游客預定路線為標準，雙模定位模塊實時定位，由上位機進行目前行進路線和游客預定路線的對比，將兩者進行算法整合，進而通過PID控制使直流電機轉向或直行，達到控制機器人按照規定路線前進的目的。 雙模定位部分系統設計圖如圖8所示。

圖8 系統設計圖

4.1 GPS/北斗雙模定位模塊ATK1218-BD

GPS/北斗雙模定位模塊ATK1218-BD體積小巧，性能優越，操作頗為便捷。使用過程中可以通過串口進行對其進行各種參數的設定。ATK1218-BD模塊工作具體流程如圖9所示。

圖9 ATK1218-BD模塊工作流程圖

4.2 ATK1218-BD與單片機的連接

此雙模定位模塊通過兩根數據傳輸線與單片機連接進行數據交換。單片機通過數據傳輸線讀取ATK1218-BD模塊的定位坐標數據，根據讀取的數據進行處理從而控制小車的行進方向。同時該模塊同時具有5V和3V兩種供電模式方便與單片機銜接。接線具體如圖10所示。

圖10 接線圖

4.3 NMEA-0183協議

在串口監視器中，可以看到NMEA-0183協議的報文，大多數常見導航軟件及系統都是是兼容這個協議的。實際操作過程中可以直接配合這些導航軟件進行工作。根據$XXGGA報文得到的信息進行下一步操作。其報文具體含義如表2所示。

表2 數據所對應含義

5 語音交互

5.1 語音識別

語音識別部分采用的為LD3320語音識別芯片，該芯片可以儲存大約50條關鍵詞語。綜上所述，我們進行相應的調查，得出人們對于該機器常用的二十條指令，剩余指令按照不同的景點場景進行設計。當機器啟動時該芯片被喚醒，首先通過收集游客的語音信息，并且將識別到的語音信息與預儲存的關鍵詞進行匹配。如果匹配成功，則返回該語音信息對應的返回值，單片機根據返回值執行不同的代碼。

5.2 語音播報

本設計的語音播報部分主要依靠VS1053芯片來實現，VS1053芯片可對日常所用的音頻文件進行讀取并通過揚聲器或藍牙設備進行播放。首先在SD卡中存儲預了多個先錄制的音頻文件（主要內容為相應景點的介紹）。使用單片機計算景點和機器人兩者間的距離，當距離達到設定值時，VS1052讀取相應音頻文件再通過連接在該芯片的揚聲器進行播報。如圖11語音播報流程圖。

圖11 語音播報流程圖

6 結語

以STM32F103C8T6作為主控制器，配合JGB37-520電機、HC-SR04超聲波、ATK1218-BD定位模、LD3320語音識別芯片、VS1053語音播報芯片等控制小車巡線避障定位導航語音交互的功能。隨著城市經濟不斷進步，旅游業的不斷發展，此系統將具有越來越廣泛的經濟效益。