基于ESP32 單片機履帶探索機器人設計

張聚濤，孫 祥，王 超

（唐山學院教務處 河北 唐山 063000）

0 引言

在20 世紀中期，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，以控制理論和計算機科學為基礎的現(xiàn)代機器人技術開始逐漸興起［1］。 然而，隨著原子能技術的發(fā)展，機器人面臨了新的要求和發(fā)展機遇。 雖然此時研發(fā)的機器人已經(jīng)具備了可應用于生產(chǎn)的能力，但是智能水平相對較低，所以在機器人智能發(fā)展歷程中，這一階段被視為初級階段。 隨著時代的發(fā)展，機器人研發(fā)面臨著許多需要克服的難關，其中最為重要的是如何提升機器人的自主性和適應性［2］，這是一個關鍵問題。 這一問題的解決不僅需要從與人的關系方面考慮，還需要考慮機器人在環(huán)境中的適應能力。 希望機器人能夠更加獨立于人，并擁有更加友好的人機界面，以實現(xiàn)更便捷、高效的交互方式。 在長期的發(fā)展過程中，期望操作員只需提出要完成的任務，而機器人能夠自動地制定出完成任務的步驟，并自主地實現(xiàn)自動化［3］。 總之，提高機器人的自主性和適應性，以及擁有友好的人機界面，是關鍵性問題。 探索機器人等各類機器人在一些特殊環(huán)境下發(fā)揮著重要的應用價值，因此進行設計研究十分必要。

探索機器人已經(jīng)被廣泛應用于海洋勘探和太空探索等眾多領域。 尤其在考古挖掘方面，由于山洞狹窄，無法確定內(nèi)部結(jié)構，工作人員往往不便進入［4］。 因此，研發(fā)更加智能、自主的探索機器人已成為當前的主要研究方向，單片機因具有低功耗、低成本和高性能的特點，所以基于ESP32 單片機來設計探索機器人，并通過加裝攝像頭以在手機端實時顯示環(huán)境畫面，能夠完善地實現(xiàn)人們對于探索機器人的需求。

1 總體設計

本設計主要包含主控模塊、圖像模塊、控制模塊、電源模塊和移動終端5 個模塊。 主控模塊用于實時處理整個系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)；圖像模塊用于拍攝環(huán)境圖像；控制模塊用于操控機器人運動；電源模塊用于供電，提供足夠的電力，以保證整個系統(tǒng)可以在沒有外部電源的情況下正常運行；移動終端指令通過主控模塊處理后通過控制模塊操控機器運動。 履帶探索機器人整體設計思路如圖1 所示。

圖1 履帶探索機器人設計思路

該設計采用Arduino IDE 與Android Studio 作為開發(fā)平臺，使用SolidWorks 進行底盤建模，使用履帶結(jié)構使之適應于大多數(shù)的復雜地形和坡度。 底盤建模設計如圖2所示。

圖2 底盤建模設計圖

2 系統(tǒng)各模塊的硬件設計

2.1 主控模塊的硬件設計

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像傳輸和控制指令發(fā)送的功能，選擇采用ESP32CAM 單片機作為主控模塊。 該模塊具有低功耗、高度集成、易于開發(fā)等優(yōu)點，并擁有4 GB（32 位）的地址空間，可用于數(shù)據(jù)總線和指令總線的傳輸［5］，從而更好地支持這些功能的實現(xiàn)。

ESP32CAM 單片機的實物圖如圖3 所示。

圖3 ESP32CAM 單片機實物圖

2.2 圖像模塊的硬件設計

為了實現(xiàn)拍攝環(huán)境畫面的功能，選用OV2640 攝像頭作為圖像模塊。 該攝像頭采用CMOS 圖像傳感器，具有體積小、工作電壓低等特點，能更好地支持所需功能的實現(xiàn)。

圖像模塊的實物圖如圖4 所示。

圖4 圖像模塊實物圖

圖像模塊接口電路如圖5 所示。

圖5 圖像模塊接口電路圖

由圖5 可知，圖像模塊共有24 個引腳，直接與ESP32－S 芯片連接，插上底板即可使用。 燒錄代碼后通過串口將返回顯示圖像的網(wǎng)絡地址，從而可顯示實時環(huán)境畫面。

2.3 控制模塊的硬件設計

為了實現(xiàn)電機方向控制的功能，采用了L298 N 步進電機作為控制模塊。 該模塊具備卓越的驅(qū)動力、低熱量輸出和出色的抗干擾能力等優(yōu)點［6］，能更好地支持所需控制方向功能的實現(xiàn)。

控制模塊的實物圖如圖6 所示。

圖6 控制模塊實物圖

控制模塊接口電路如圖7 所示。

圖7 控制模塊接口電路圖

由圖7 可知，控制模塊共有15 個引腳，其中VCC 電源采用5 V 供電，GND 需要接地。 OUT1、OUT2、OUT3 及OUT4 與兩個電機相連。 IN1 到IN4 是邏輯輸入引腳，分別與ESP32CAM 單片機的IO2、IO14、IO15 及IO13 引腳相連接。 ENB 和ENA 兩個使能接口未被使用，只需使用跳線帽蓋上即可。

3 系統(tǒng)各模塊的軟件設計

3.1 主控模塊的軟件設計

主控模塊用于處理圖像數(shù)據(jù)與接收移動終端指令，其程序設計流程如圖8 所示。

圖8 主控模塊程序設計流程圖

由圖8 可知，系統(tǒng)初始化后，會連接網(wǎng)絡，連接成功后，圖像模塊開始拍攝環(huán)境畫面。 同時，ESP32CAM 單片機將實時處理圖像數(shù)據(jù)和來自手機APP 的控制指令。

3.2 圖像模塊的軟件設計

圖像模塊用于對環(huán)境畫面進行拍攝，其程序設計流程如圖9 所示。

圖9 圖像模塊程序設計流程圖

由圖9 可知，圖像模塊首先進行顯示圖像的初始化，然后連接網(wǎng)絡。 如果連接成功，圖像模塊可以獲取周圍環(huán)境的圖像，并通過網(wǎng)絡通信協(xié)議將其上傳至移動終端，用戶可以查看該畫面。 ESP32CAM 單片機負責處理上傳的圖像數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡通信協(xié)議。

3.3 控制模塊的軟件設計

控制模塊是通過手機APP 來控制履帶探索機器人的行動，其程序設計流程如圖10 所示。

圖10 控制模塊程序設計流程圖

由圖10 可知，首先進行初始化，成功連接網(wǎng)絡后，移動終端需要接入同一個局域網(wǎng)。 通過在移動終端上設置方向鍵，用戶可以向后端發(fā)送高低電平信號，這些信號由ESP32CAM 單片機接收后，再寫入控制模塊的4 個引腳，這4 個引腳分別用來控制兩個電機的運轉(zhuǎn)方式。 單片機會根據(jù)讀入的信號來判斷機器人的下一步動作。

4 功能測試及調(diào)試

4.1 圖像模塊拍攝調(diào)試

OV2640 攝像頭是圖像模塊的核心，它能夠拍攝探索環(huán)境的畫面，方便進行調(diào)試。

圖像模塊拍攝環(huán)境畫面效果如圖11 所示。

圖11 圖像模塊效果圖

由圖11 可知，周圍環(huán)境的畫面已被拍攝并上傳至ESP32CAM 單片機，可以在移動終端進行查看，這表明圖像模塊正常工作。

4.2 控制模塊調(diào)試

驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動被控制模塊用來實現(xiàn)履帶探索機器人的移動，其顯示效果如圖12 所示。

4.3 整體功能調(diào)試

履帶探索機器人實物如圖13 所示。 經(jīng)過測試，該履帶探索機器人能夠很好地完成指定控制行走及拍攝環(huán)境畫面的任務，功能設計完整，表明該設計方案合理。

圖13 履帶探索機器人實物圖

5 結(jié)語

本設計基于ESP32 單片機實現(xiàn)了一款履帶探索機器人。 該機器人可以拍攝周圍環(huán)境，并通過移動終端實時顯示畫面。 此外，該機器人配備了遠程控制功能，用戶可在移動終端對機器人進行控制，以實現(xiàn)更加自由的探索。