基于STM32單片機的水泊清潔機器人設計

蔡書鑒，張 敏，陳志聰，康澤威

（廣東理工學院 電氣與電子工程學院，肇慶 526100）

隨著社會經濟的發展，人類與自然環境之間的矛盾愈發激烈，同時人們也意識到以往以損壞環境為代價來發展經濟的發展模式是不可取的。 現如今，治理環境污染達到人與生態和諧共處成為我國的重要政策。 習近平總書記提出了“生態興則文明興，生態衰則文明衰”的論斷，指出“……我們應堅持人與自然共生共存的理念，像對待生命一樣對待生態環境……”[1-2]。 我國嚴峻的自然環境現狀和經濟發展面臨的資源環境約束明顯增多都要求我國高度重視生態治理，才能實現社會的跨越式發展[3]。而現階段，我國的水生態環境破壞尤為嚴重，水泊是水生態環境中的一個重要組成部分，水泊污染的治理成為當前急需解決的一個問題。 如圖1 所示，各河道、 濕地以及海灘附近時常堆積著許多垃圾，既不美觀，也對當地的生態環境產生了嚴重的污染。為了保護生態環境而通常采用的人工清潔亦會對環境產生二次破壞，同時，人工清潔的成本巨大并且還在不斷的增加。 隨著人工智能時代的到來，智能機器人出現在各行各業中，文中基于STM32RCT6單片機設計了水泊清潔機器人，該機器人能大大降低人工成本，并且還可以減少對環境的二次破壞程度。

圖1 生活中的水泊污染Fig.1 Water pollution in daily life

1 設計方案分析

由于水泊機器人主要是在海灘、濕地等相對復雜的環境中作業， 因此不采用集成化設計方案，以免一個原件損壞導致整個機器人報廢。 同時由于部分零件相對廉價，部分零件相對昂貴，于是在設計中采取了電子積木模塊化搭建方式設計，簡化電路結構，使用PCB 將該機器人上的每一個模塊分開進行設計， 然后通過杜邦線連接組裝成一個硬件系統。 這樣設計的好處為人工操作簡單，在機器人損壞時，可以更簡單地通過更換損壞的零件，從而達到維修機器人的目的，不用將整個機器人報廢[4]。

經分析，該機器人主要由機器人底盤、垃圾清潔機械臂、中控板三部分組成。 機器人底盤采用的是履帶式的結構，該結構使機器人在相對復雜的環境中也能夠行動自如[5]。 同時，在底盤的前、后方加上了水位傳感器，機器人在即將涉水的時候能夠通過檢測，使本體遠離水面，防止內部的電路損壞。 清理垃圾機械臂由舵機、 激光傳感器、OpenMV 構成，機械臂主要作用是通過多舵機協同， 抓取識別物體， 激光傳感器主要檢測機器人與物體的距離，以便于機械臂抓取物體，OpenMV 主要作用是識別眼前的物體，其主要組成如圖2 所示。

圖2 機器人主要組成圖Fig.2 Main composition of robot

2 系統模塊設計

由前文分析可知，該機器人設計中采用了電子積木模塊化搭建方式，具體模塊設計如下文所述。

2.1 主電路系統設計

主電路系統設計中，該機器人的核心處理器是STM32RCT6 單片機，在主控板的上面集成有穩壓電源用于控制機器人的電壓輸出， 使電壓輸出穩定，從而達到整個系統的電壓穩定， 不易于損壞系統。并且在其外圍安裝有多個按鍵，用于設置機器人的自主、遙控等功能模式。 同時，在機器人的控制中搭配了藍牙模塊，可以實現機器人和手機、電腦等現代通信設備進行命令和通訊交互，為方便查看參數數據，在機器人上面設計一塊0.96 寸的OLED 顯示屏，可以顯示部分運行信息。

2.2 自動避水系統設計

避水系統主要是在履帶小車底盤的前后兩端添加了Water Sensor 水位傳感器， 通過單片機的ADC 端口PA1，PA5 檢測水位的高低。 當小車行駛到有水的地方時， 水位傳感器會檢測水位的高低，將模擬信號傳輸到單片機內部的ADC，轉化成數字信號并進行比較。 其一，如小車前面傳感器檢測到的數值比后面檢測到的數值高， 則發出中斷指令，然后令小車向后運動一段距離， 并向左旋轉90°且再次在單片機內部進行比較，如此往復執行；其二，如前面的傳感器檢測到的數值比后面檢測到的數值低，則發出中斷指令，然后令小車向前運動一段距離， 并向左旋轉90°且再次在單片機內部進行比較，如此往復執行。 在以上2 種情況執行中，直到前面和后面的水位傳感器的數值相同， 跳出中斷指令。 在這樣的設計下，使小車能夠在這種伴水環境中擁有一定的避水能力， 同時也不影響小車的行駛。 其簡化電路如圖3 所示。

圖3 自動避水系統簡化電路圖Fig.3 Simplified circuit diagram of automatic water avoidance system

2.3 垃圾檢測系統設計

垃圾檢測系統的核心是OpenMV， 這是一種高性能、高性價比的智能視覺識別模塊，可以通過使用Python 語言進行編程，從而達到較準確的視覺識別功能[6]。 具體做法是通過在現實生活中遇到的一些常見的垃圾，將他們共同的特點如材質、形狀、顏色等進行分類歸納并總結，將其轉化為相應的編程語言，植入到OpenMV 的處理芯片中，使其在掃描到相應的物體時能夠主動發出運行指令，由單片機串口進行接收和反饋到核心處理器中[7]，之后使得所有相應的模塊在核心處理器的協調下完成相應的工作，其簡化電路如圖4 所示。

圖4 OpenMV 檢測電路鏈接圖Fig.4 OpenMV detection circuit link diagram

2.4 抓取控制系統設計

抓取系統是通過多個舵機的協調運行以達到對物體的抓取，由單片機的運算和處理來控制各個舵機旋轉不同的角度，使得機械臂實現多方位的轉動[8]。 同時，搭配ToF 激光測距模塊檢測機械臂與拾取物體的距離，可以精準實現物體的抓取工作。 其工作原理是OpenMV 檢測到了垃圾時，將相應信息傳遞到單片機中，單片機接收到了該信息通過控制電機，配合激光測距模塊檢測物體的距離，從而驅動清潔機器人運動到物體旁， 之后機械臂開始工作，將物體抓取，然后放到機器人后背搭配的收集筐中，其簡化電路如圖5 所示。

圖5 抓取控制電路接口圖Fig.5 Grab control circuit interface diagram

3 系統總體框架設計

通過在主控板上面設置一個啟動按鍵，按下該按鍵之后可以啟動和運行整個系統， 同時OpenMV隨即啟動。 此時，終端設備如手機、電腦等會通過藍牙連接上機器人，如果是失誤啟動，則可以通過終端設備對其發出終止信號。 啟動后電機向前運動，在行駛的過程中檢測攝像機視線范圍內是否有需要拾取的物品[9]。 設計中已經事先將需要拾取的物品的具體形態、顏色等資料傳入了OpenMV 中，一旦檢測到有相應的物品，會通過激光傳感器檢測機器人與物體之間的距離，然后啟動電機，將機器人移動到機械臂的工作范圍內，通過機械臂上多個舵機的協調工作，將物體撿起，投入到機器人背后的收集筐中。 之后會再次檢測視線范圍內是否還有相應的物品，若沒有發現相應的需要撿拾的物品，則說明該區域的相應物品垃圾已經清理完畢，就會返回判斷是否收到終端設備發出終止信號，若沒有收到就會向終端設備發出請求終止的信號，如果收到終止信號，那么就會停止一切活動，說明此時整個環境中的相應物品已經清理完成。

在整個系統的運作過程中，單片機會不斷地進行判斷機器人前后的水位傳感器的數值是否相同，數值相同則繼續運行，整個機器人處于正常工作狀態，可連續清掃環境中的相應物品。 數值不相同則會中斷，并比較前后傳感器的數值大小，做出后退的判斷，從而控制機械本體進行避水移動。 具體工作流程如圖6 所示。

圖6 機器人工作總流程Fig.6 General flow chart of robot work

設計中通過多種傳感器的組合，實現機器人環境清理功能，其中OpenMV 視覺傳感器模塊，使得該機器人擁有識別垃圾的能力； 激光測距傳感器，讓機器人具有判斷與垃圾距離的能力，使得抓取垃圾變得簡單；水位傳感器，能夠讓機器人在面對這種復雜環境中擁有判斷能力，更好地保護機器人自身， 也能自動判斷機械本體是否已經涉入水中，做好良好的電路保護。

該機器人下盤使用履帶式的結構，使其能在這種相對復雜的環境中獲得不俗的移動能力， 同時，在底盤下方加入了2 個水位傳感器，使其能夠自主判斷機器人是否涉入水中，這樣能使機器人離開水域，提高了機器人的使用壽命。 同時，上面搭載有OpenMV 這種高性價比、高功能型的電子積木模塊，通過內置相應的算法，使其擁有較高的識別物體精度的能力，同時添加了激光傳感器，使其能夠敏銳地判斷機器人與垃圾之間的距離，從而擁有良好的抓取物體能力，清潔垃圾。

4 結語

目前，在國內的市場上還鮮有出現擁有在治理水泊地帶的水生態環境方面的機器人，其主要原因是因為水生態環境如水泊、海灘等地的環境相對復雜，治理起來相對麻煩，其技術要求較高。 而該機器人成本低、靈活性好、操作便捷，適用于在惡劣的環境下工作。 同時，機器人識別物體精度高、適應性強、適用范圍廣，可替代傳統人工在海灘、濕地等相對復雜的環境中作業，極大降低對環境清潔的人力資源成本，從而節約了治理環境的成本。 在未來的水生態環境治理中有著非常廣闊的應用前景。