随着计算机和人工智能的飞速发展, 智能机器人逐渐成为现代机器人领域的研究热点。其中家用机器人在人们的日常家居生活中发挥着越来越重要的作用。家用机器人由很多部分组成, 其中对家庭室内环境的感知及将相应的信息传输给机器人的控制中心环节极其重要, 没有环境感知系统, 就像人没有了眼睛一样^[1]。

通过各类传感器对家庭环境中信息的采集, 然后将这些数据信息转变为电平信号, 传输给STM32F103系列单片机, 单片机控制机器人做出相应的动作。从软件到硬件的设计过程, 不仅为研究更加高级的软硬件结合系统做好了铺垫, 而且加深了对家用机器人工作过程的了解^[2]。

1 机器人系统整体设计

机器人系统整体设计:由中央处理器、环境感知系统、运动系统共同组成家庭巡视机器人。中央处理器是整个机器人的核心, 它对接收的信息进行处理, 然后转换为指令信号; 环境感知系统是机器人的感官部分, 它对家庭内部环境信息进行数据信息采集, 然后将信息传送到中央处理器; 运动系统是机器人的执行机构, 它将中央处理器发出的指令转换为动作, 实现机器人所需要的功能。机器人整体设计如图 1所示。

2 环境感知系统方案设计

环境感知系统帮助机器人对家庭环境进行实时数据信息采集, 处理器接受到信息后, 完成对障碍物的躲避、火灾烟雾报警反馈、家庭环境温度实时显示等功能, 将家庭内部环境情况实时呈现出来。

系统以STM32F103系列单片机为主控芯片, 驱动MQ-2烟雾气敏传感器模块、HC-SR04超声波测距传感器模块和DS18B20温度传感器。模块感知家庭环境, 将数据和报警显示在LED屏上^[3]。环境感知系统结构如图 2所示。

3 环境感知系统硬件设计

环境感知系统设计是家用机器人实现家庭巡视功能的重要组成部分, 是实现对家庭环境监控与报警的中心环节。

硬件电路以STM32F103为控制中心, 将感知家庭环境的各个传感器串联组合在一起, 形成一个反馈系统^[4]。主要由烟雾气敏传感器感应电路、超声波测距传感器电路、温度传感器检测电路、LED显示电路、电源电路、报警电路等组成^[5]。

3.1 CPU芯片电路设计

设计过程中采用的STM32F103系列单片机芯片是包括7个定时器、9个通信接口、2个12位模数转换器、80个快速I/O端口的低功耗微型单片机^[6]。工作电压为2.0~3.6 V, CPU最高频率为72 MHz。内嵌复位和电源控制模块, 内置嵌套的向量式中断控制器, 能够处理43个可屏蔽中断通道和16个优先级。在定时器和看门狗功能方面, 每个定时器都有独立的DMA请求机制, 通过选项字节可以配置硬件或软件启动看门狗。相对于较为简单的51单片机而言, STM32F103系列单片机程序为模块化设计, 接口简单, 自身附带功能强, 采用库函数开发。单片机核心为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核, 这些功能都是51系列单片机所不能比的^[7]。

3.2 电源电路设计

系统设计为接入式12 V直流电, 通过MP4560芯片配置相对应的电容、电感, 将12 V电压降到5 V直流电。因电压较低, 无需适配5 V的电源。通过电路来替代电源电压转换, 能节省空间和成本。通过稳压电路得到3.3 V电压, 提供给主控单元电路。在5~3.3 V的过程中加入稳压电路, 保证电路正常稳定的工作^[8]。电源电路设计原理图如图 3所示。

3.3 烟雾气敏传感器模块电路设计

用于家庭防火的MQ-2烟雾气敏传感器模块通过二氧化锡(SnO₂)气敏材料电导率的变化实现对可燃气体浓度的检测, 并将转换信号发送给CPU, CPU控制器件发出报警信息, 其工作电压为5 V, 采用两路信号输出(DO/AO)^[9]。阻值R与空气中被测气体浓度c的计算公式为:

LogR=mLogc+n(m、n均为常数)

实际设计电路如图 4所示。

3.4 超声波测距传感器模块电路设计

家庭巡视机器人室内障碍物躲避功能通过HC-SR04超声波测距传感器模块实现。HC-SR04超声波传感器以总线的方式与CPU之间通信, 实时反馈数据信息, 其工作电压为3.3~5.0 V, 采用I/O触发测距^[9], 探测距离为2~400 cm, 精度可达0.3 cm。其测距公式为(声速=340 m/s):

测试距离=(高电平时间×声速)/2

电路设计如图 5所示。

3.5 温度传感器模块电路设计

温度传感器模块以单总线通信, 将数据传输到主控单元, 经程序化后将数据发送到液晶显示屏上, 显示室内温度。此过程以DS18B20芯片完成电路设计。芯片工作电压为3.0~5.0 V, 有一个单线接口, 主要应用于数字信息采集和温度传感。电路设计如图 6所示。

4 环境感知系统软件设计

系统在研发过程中, 软件设计分为两部分:传感器数据采集发送部分和单片机处理接收部分。传感器数据采集发送部分采用烟雾气敏传感器模块、超声波测距传感器模块、温度传感器模块进行支持, 利用C程序语言编写各个模块的信息采集程序, 然后依据各个模块的时序图写出控制程序^[10]。

当测量浓度大于设定的浓度时, 烟雾气敏传感器模块单片机的I/O输出为低电平, LED灯亮起报警。

在超声波测距传感器模块中, 一个10 μs以上的脉冲触发信号, 传感器内部就会发出8个40 kHz周期电平并检测回波。当检测到回波信号时, 会输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。通过发射信号到收到回响信号的时间间隔可以计算出实际的距离^[11]。

在温度传感器模块中, 总线控制器会拉低总线并保持一定时间, 然后发出一个复位脉冲, 接着释放总线, 单总线利用上拉电阻拉到高电平。当DS18B20探测到I/O引脚的上升沿后, 等待一定时间后以拉低总线的方式发出存在脉冲, 实现初始化。主机写时隙向DS18B20写入数据, 其中分为写“0”时隙和写“1”时隙, 所有的写时隙必须至少有60 μs的持续时间, 相邻两个写时隙必须要有最少1 μs的恢复时间。所有的写时隙(写0和写1)都由拉低总线产生, 以实现写相应的控制指令。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时, 读时序开始, 数据线必须至少保持1 μs, 然后总线才会被释放。DS18B20通过拉高或拉低总线上来传输“1”或“0”。当传输逻辑“0”结束后, 总线将被释放, 通过上拉电阻回到上升沿状态。从DS18B20输出的数据在读时序下降沿出现后15 μs内有效, 完成读取DS18B20所采集到的数据后, 把采集到的数据转化为实际的温度, 展现在LED显示屏上。

5 结论

通过对家庭巡视机器人环境感知系统的设计, 深入理解了环境感知系统整体结构。对烟雾气敏传感器模块、超声波测距传感器模块、温度传感器模块, 从工作原理到硬件设计均进行了深入研究。在软件设计中详细介绍了编程原理, 对后来研究者针对嵌入式系统编程具有较好的借鉴意义。