單片機與無線通信技術在特殊探測需求下的應用實例

張 嘯 韓孝冉 汪榮權 全方逸

（天津理工大學中環信息學院，天津 300380）

0 引言

在工業生產和日常生活中，常會出現尋物、探測、救援等特殊需求，涉及的地點有可能是狹小空間、較深洞穴、建筑廢墟，甚至是含有毒物質的空間，這些工作場合往往人員難以進入，可越障運行、探測并傳輸信息的無人化探測機器人在此顯得極為重要。鑒于此，在充分調研信息探測技術、機器人控制技術和遠程通信技術的基礎上，結合現有的常用技術手段和相關研究成果，設計了一種基于STM32單片機和無線通信模塊（本文主要涉及Wi-Fi模塊和藍牙模塊）的探測機器人，并對其進行了實際的運行和探測功能測試，同時根據測試情況提出了某些方面的改進方法。

1 研究背景及意義

從外太空探索到生產、生活中的某一個具體方面，對作業環境信息的探測需求極為普遍[1]。而某些特殊的探測空間，人員難以進入其內部作業，例如：小口徑管道、沉重機械設備底部或后部等較為狹小的空間，科學考察、野外人員搜救涉及的各類洞穴，發生災難事故后的建筑物廢墟內，含有毒物質、危險動植物或高壓電等危及人員生命安全的場所，等等。遇到這些情況時，由于操作人員不能直接進入工作環境內部，需要探測機器人代替人員進入其中，及時獲取內部信息資料并傳輸到外部，以便迅速確定最佳工作方案[2]。

因此，對探測機器人機械機構、運動控制、數據通信和電源方案等方面的研究一直是國內外的熱點問題，探測機器人也在近年來變得更加多樣化和智能化[3]。文獻[4]提出了一種井下探測機器人的總體設計方案，并重點介紹了其運動控制系統的軟件和硬件設計；文獻[5]結合礦井特殊探測環境的實際特點，提出了一種基于蟻群算法和遺傳算法的探測機器人智能路徑規劃方法；文獻[6]提出的探測機器人運動控制算法以大數據聚類作為基礎，很大程度上降低了機器人運動軌跡的誤差。

可見，在探測機器人領域，已有大量的研究成果可供借鑒和參考。但在實際的信息探測任務中，機器人面對的環境復雜程度往往較高，固定的循跡運動模式和靈活度不高的控制算法將不能適應各種復雜的作業地形環境。本文設計的探測機器人具備成本低、可控性高、適應性強等特點，不去設計復雜且依賴于高成本器件的運動控制算法，代之以簡單的實時通信控制系統架構，將STM32單片機和無線通信模塊作為控制、通信平臺，能以較低的硬件成本滿足較通用的多場景探測需求。

2 系統總體架構設計

2.1 探測機器人功能需求

探測機器人的系統設計思路基于以下功能需求提出：（1）運動底盤結構具備對多種復雜地形的適應能力，轉向、越障靈活；（2）具有視頻信息獲取和傳輸的功能；（3）操作人員能對探測機器人進行無線遙控，從而控制其運動和攝像頭轉動。

2.2 探測機器人系統總體架構

本文設計的探測機器人系統總體架構如圖1所示。

圖1 探測機器人系統總體架構

可將探測機器人系統分為感知層、控制層、通信層和上位機四個主要部分。其中：

（1）感知層包括USB攝像頭和超聲波測距模塊。攝像頭通過USB通信協議連接STM32單片機，可將拍攝到的視頻信息實時傳輸到單片機接口；探測機器人的運動主要依靠操作人員遙控，但預留出超聲波測距與報警功能的設計，便于操作人員更加直觀地評估目標物體的詳細距離信息，也能防止因誤操作而造成撞擊現象。

（2）控制層的核心是STM32單片機主控電路板。單片機主要承擔兩部分的功能，一是接收攝像頭和超聲波測距模塊發送的數據信息，并控制無線通信模塊向Android設備控制端發送視頻信息；二是接收Android設備發送的控制指令，并根據對指令的解析結果來控制機器人底盤車輪的轉速，實現前進、后退、轉彎、變速等運動方式，或者控制攝像頭舵機的轉角以改變鏡頭的方向。

（3）通信層由無線通信模塊及其無線網絡構成。本文采用了Wi-Fi模塊和藍牙模塊，它們均可通過無線組網的方式連接Android設備上的相應接口，提供了操作人員對探測機器人遙控的條件。

（4）上位機采用Android設備，一般是手機或者平板電腦。操作人員可在上位機界面上實時查看攝像頭探測到的視頻，也能點擊按鈕控制機器人的運動方式和攝像頭的角度。

此外，為了增強機器人底盤的環境地形適應能力，4個車輪采用麥克納姆輪以實現更加靈活的運動。

3 探測機器人關鍵部分設計

3.1 單片機主控程序設計

在本探測機器人系統中，供電后的STM32單片機主要實現數據的接收與發送功能，其運行的程序流程圖如圖2所示。

圖2 單片機主控程序流程圖

STM32單片機控制板與Wi-Fi模塊和藍牙模塊均通過串口相連接（兩種模塊與單片機硬件連接的方式相同，均為：無線模塊的TXD端接單片機的RXD端，RXD端接單片機的TXD端，無線模塊與單片機的GND引腳相連，即“共地”），實際使用時，可通過進入不同的單片機子程序定義I/O口，從而選擇Wi-Fi模塊和藍牙模塊其中之一進行連接并配置其無線通信參數。配置完成后，操作人員即可在Android設備上輸入無線網絡密碼，加入以無線通信模塊為熱點的網絡中。

無線通信網絡組建完成后，STM32單片機即可通過無線通信模塊將攝像頭采集到的視頻信息發送至Android設備端。此外，STM32單片機實時判斷有無接收到來自Android設備的數據，若有，則根據程序中制定好的通信協議控制車輪的轉速或者攝像頭舵機的旋轉角度。

需要指出，通過控制4個麥克納姆輪之間的轉速差，可實現機器人底盤的轉向。攝像頭安裝在由兩個舵機控制的云臺上，其中一個舵機可左右旋轉360°，另一個舵機可上下旋轉180°。

3.2 無線通信網絡設計

為實現設計需求，對比幾種常見的無線通信協議，如表1所示。

表1 幾種常見的無線通信技術參數比較

其中，ZigBee模塊雖然功耗和成本均較低，但不適合連接Android設備；GPRS模塊的信息費用較高；LoRa模塊通信距離長，信號抗環境干擾能力強，但通信速率較低，不利于視頻信號的傳輸。因此，暫選用Wi-Fi模塊和藍牙模塊作為探測機器人的無線通信接口。

以Wi-Fi模塊為例，其無線局域網設計如圖3所示。在此指出，只需要利用STM32單片機將Wi-Fi模塊配置成AP模式，不需要連接Internet網絡，Wi-Fi模塊即可作為一個無線網絡熱點使用，Android設備能基于自身的Wi-Fi模塊較容易地加入該無線網絡，進行無線通信。

藍牙模塊也能組成與圖3類似的無線局域網。

圖3 Wi-Fi無線局域網框圖

3.3 系統供電設計

探測機器人整體采用12 V直流電源，由3節可充電型18650鋰電池串聯提供。由于系統各部分硬件需要的供電電壓等級不同，采用降壓電路模塊，將12 V直流電壓轉換成3.3 V給STM32單片機供電，轉換成5 V給超聲波測距模塊、USB攝像頭和4個車輪直流電機供電，攝像頭舵機則直接采用12 V供電。

4 實際調試與改進設計

4.1 實際調試

探測機器人小車組裝后的外觀如圖4所示。

圖4 探測機器人整體外觀

機器人實際運行時，利用Android手機界面實時查看攝像頭拍攝畫面和控制其運動方式，如圖5所示。

圖5 探測機器人實際運行畫面

4.2 改進設計

經過實際測試，設計出的探測機器人能較好地利用單片機和無線通信技術實現視頻信息的采集、傳輸和操作人員對機器人的遠程無線控制，為機器人代替人員進入特殊探測空間完成任務提供了可能。今后，為進一步增加其遙控距離，可以基于此設計架構，將無線通信模塊更換為4G/5G模塊，從而滿足更大范圍內的特殊探測需求。

5 結語

綜上，整個探測機器人硬件系統是將STM32單片機電路板作為控制核心，并通過無線通信模塊連接Android設備，將攝像頭采集到的視頻信息傳送到人員操控界面，操作人員也可以點擊該界面上的按鈕，利用無線通信網絡將控制指令發送至機器人搭載的通信模塊，再由STM32單片機解析指令、控制4個車輪的轉速和攝像頭舵機的轉角。基于此總體設計思路，經過實際驗證，操作人員能通過Android設備界面實時查看攝像頭拍攝到的清晰畫面，也能控制機器人車體的運動模式和攝像頭視角。對機器人供電系統進行改進并換裝更高分辨率的攝像頭后，能進一步提升探測機器人的綜合性能。