家用陪護機器人設計-bak

[]家用陪護機器人是面向家庭的服務型機器人其主要功能是在家中進行自動巡邏環(huán)境安全并支持控制對行動不便的人（如老年人、[]家用陪護；安全；自動導航；控添加最終作品；英要；DesignofaHouseholdEscort:家用陪護機器人設 DesignofaHouseholdEscort 緒 引 設計背景，意 研究現(xiàn) 總體方 結構方 機器人周邊執(zhí)行件的選 機器人三維模 控制方 硬件系 機器人底盤電氣系統(tǒng)設 機器人驅(qū)動電機設 機器人兩輪差速轉向模 下位機微處理器及傳感器的選 下位機微處理器陀螺儀/加速度 GSM通訊模 環(huán)境傳感 上位機開發(fā)環(huán)境的選 無線數(shù)據(jù)傳輸方案的選 NRF24L01無線傳輸模 串口轉WiFi模 軟件部分設 下位機軟件設 電機驅(qū)動、測 陀螺儀/加速度傳感器的驅(qū) 傳感器控制邏 上位機部分軟件設 上位機主程序設 4.2.2頭路徑信息并進行循跡運 數(shù)據(jù)通訊協(xié) 結 致 參考文 緒生產(chǎn)中，也被運用于港口中，甚至被攜帶到太空執(zhí)行探險任務。它們的運用以用于陪護，也可以用于安防，或者能用于；面對的家庭成員可以是幼兒，女的角色往往是比較的同時中華民族尊老敬老的傳統(tǒng)文化又使絕大多數(shù)中 （863計劃總體具有足夠高的頭安裝位置以獲得完整人的圖像此外機器人地盤不宜太寬，因為一般家庭的空間并不是很大，以免移動起來容易碰到家具；所以在保證1-1DC常用的機器人底盤結構方案是采電機驅(qū)動兩個驅(qū)動輪另外在底盤的前擴展能力強，成本低、易于的特點。人們活躍的思維和新穎的想法都能利用這塊小小的得以實現(xiàn)但是由于單片繼電器等，以及驅(qū)動并相關傳感器的信息（如超聲波傳感器、電機編以實現(xiàn)主機對從機的實時控制；而以國家儀器（NI）開發(fā)的LabVIEW為編程PC（上位機2-1硬件3-1輪距(??1=130% （3-

=

?

?

?

=???????????????2????????????????

（3-

??sinα=??????? （3-其中，αfrt—驅(qū)動輪的動力半徑Tt－電動機輸出軸轉矩（N?mn

=

（3-路面滾動阻力系數(shù)??=0.018，α=30°，????=0.075m,n=2(??????????α+??sinα)????????=

(9.8×20×0.018×cos30°+9.8×20×sin30°)×2≈4.08N.綜上所述，要求選用的電機輸出軸轉矩????≥4.08N.m根據(jù)機器人最高行駛速度計算電機輸出軸轉速已知機器人設計最高行駛速度????????=1????/??=0.28??/??，根據(jù)驅(qū)動輪轉速????????=????= （3-??=????????

（3- 解得，????=0.59r/s=3-2545DC12V-3000-選擇電機表3-3545電機配套比455由上述計算可知，電機輸出軸轉速以及轉矩要求：????≥35.4??/??????、????≥4.08Nm已知齒輪傳動效率??0=0.99，求出各器輸出軸扭矩與轉速????90=90??????????=90×0.064×0.994=5.53??. （3-????131=131??????????=131×0.064×0.995=7.97??. （3-????168=168??????????=168×0.064×0.995=10.22??. （3- =??0=5600= （3- =??0=5600= （3-

=??0=5600= （3- 其中，??????—電機輸出轉矩??0—電機輸出轉速有計算結果可知，選用比為131的器更接近于設計要求應用于機器人上的各類傳感器主要有超聲波傳感器輪速編磁力計、陀螺儀/加速度計、GSM下位機微處理器3-1STM32STM32F101xxARMM3功耗低，處理速度快。72MHz36212ADC4UART、18SPI，18MHzI/OST由于庫的完整性高使民間用戶之間的程序移植變得更加簡單程序也更單易懂。3-2陀螺儀/加速度傳感器采用InvenSense的MPU6050六軸陀螺儀傳感器，通過與單片機的IIC通訊可以直接傳感器測量的三軸加速度值與三軸角速、MPU6050還具有異于傳統(tǒng)陀螺儀傳感器的優(yōu)點：其內(nèi)部集成了Digital（DMP，備的特點。利用四元數(shù)的姿態(tài)結算，能夠直接特出被測量物當前的姿態(tài)角、GSM該模塊選用了西門子TC35GSM開發(fā)板作為/通信模塊該模塊兼容RS232串口通訊模式,可以連接PC或者單片機,通過發(fā)送特定的指令,使其發(fā)送短信或者撥打。GSM通信模塊主要用于出現(xiàn)特殊事態(tài)時機器人向監(jiān)護人發(fā)送警告信輸以及LabVIEWWebserver手動控制，即可觀察當時機器人所的環(huán)境環(huán)境傳感3-3通過安裝各類環(huán)境安全傳感器，使機器人擁有環(huán)境安全性判斷能力。MQ-5煙霧/火焰?zhèn)鞲衅?，用于環(huán)境內(nèi)煙霧濃度，發(fā)出火災警報3-4LabVIEWLabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境[7]，由國家儀器（NI）公司研制開發(fā)。但它不同于CBASICLabVIEWG形式；LabVIEW3-5LabVIEWLabVIEWPC訊才能完成。PC的，故不能直接采用有線串口通訊的方式。NRF24L01PCRS232TTLPCRS232NRF24L01模塊特點：該模塊是工作在2.4GHz~2.5GHzISM頻段的單片無TTLRS-232模塊使單片機與PC其在單片機端采用TTL接口形式連接，而在PC端則采用RS232接口形式連PC，缺點：該模塊是以半雙工形式進行數(shù)據(jù)交換的單片機的數(shù)據(jù)的實時任務。且數(shù)據(jù)傳輸效率較低，錯誤率高。，WiFi串口轉WiFi模塊是新一代嵌入式WiFi模塊，體積小，功耗低。采用UARTIEEE802.11TCP/IP該模塊的使用方法與其它模塊有所不同，其相當于在PC和單片機之間插入一個信息中轉站，單片機通過普通的TTL串口形式向中轉站接收或發(fā)送數(shù)據(jù)；而PC則在連接上WiFi模塊發(fā)射的WiFi信號，使其連到模塊所創(chuàng)建的局域網(wǎng)內(nèi)，通過TCP/IP協(xié)議向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，到信息中轉站內(nèi)，或往中轉站內(nèi)取出單PC最終方案：實測顯示，NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸錯誤率高，速率較慢，而WiFi模塊數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，效率高；且由于機器人的圖像是通過WiFi模塊將數(shù)據(jù) 軟件部分設電機的驅(qū)動電路采用H4-14-1H信號進行觸發(fā)另外驅(qū)動電路還會有一個信號輸入接口用于調(diào)節(jié)電機轉速光電編測量電機轉出若干脈沖信號通過計算每秒光電編輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機圖4-2光電編原如圖4-2光電編測速原理為電機旋轉時編單元產(chǎn)生的脈沖信號。STM32 ??=

（4-131。圖4-3光電編輸出脈式，這款集成了一個陀螺儀傳感器和一個加速度傳感器。如圖4-4所示，陀4-4如圖4-5為模塊電路圖，與單片機IIC連接的是J2CON2中的SDA（數(shù)據(jù)線）和SCL（時鐘線；而模塊提供IIC總線掛載接口，即J1CON1中的XCL角的誤差（繞z軸旋轉的角度而該模IIC通訊地址由J1CON1AD0所決定，當AD0輸入為高電平時，設備的地址為，當AD0輸入為低電平時，設備的地址為。如下圖可看出，AD0口外接了一個下拉電阻，即在AD0引腳沒有輸入圖4-5MPU6050電路模塊數(shù) 及運單片機可以通過IIC總線向運動中的MPU6050三軸軸向加速度以及繞4-6上的X,Y軸與世界坐標系中的z軸（豎直方向）之間的夾角，加速度計計算夾角豎直方向的夾角。例如，當模塊由水平狀態(tài)繞其自身的Y軸順時針旋轉一定角度時，模塊X????，則可計算出轉過的角度為：

=arcsin （4-其中，GY????=∫ （4-其中，????—繞Y那么應該用什么標準校準陀螺儀計算值呢？答案是利用加速度傳感器的測將兩者結合到一起的濾波算法稱為互補濾波算法[]，其計算過程如下：??=a×(??+????×dt)+(1?a)×???? a—????????dtdta

（4-X,Y積分運算計算出繞Z軸的轉角（Z軸的轉角無法依靠加速度傳感器進行濾波，需據(jù)進行進一步更新處理而得出。而MPU6050模塊內(nèi)置DMP（DigitalMotion數(shù)、角等。??=??0+??1??+??2??+ （4-其中，??0，??1，??2，??3求。例如原坐標系上的點（??0,??0,??0，原坐標分別繞其z-y-z軸旋轉一定的角度?,θ,φ角度到新的坐標系，此時該點在新的坐標系中的位置是（??1,??1,??1） 0|??1|=???? （4-0

（4-（4-其中（??′,????′）—旋轉后點在新的坐標系中的位置；λ,??1,??2,??3—四元數(shù)對于世界坐標系??′4-7促使機器人通過GSM模塊向監(jiān)護人發(fā)出信息，并持續(xù)產(chǎn)生警報聲。其工作過圖4-8安全傳感器控制邏輯LabVIEW4-9LabVIEW樞紐，提供多種數(shù)據(jù)以及控制接口以供其它程序。頭路徑信息并進行循跡運息簡單（只有真與假4-104-104-11提取效果圖：4-114-12物體的識別與是對彩像的像素進行HSL分割，以提取黃色乒乓球的顏色特點，更好地在復4-13如圖14所示，在復雜的環(huán)境中，無法單純通過二值化將物體的邊界找出，而機器人在進行物體勢必會遇到復雜的背景環(huán)境物體形狀特征識別結合顏HSL顏色分量：使用HSL分量(色相、飽和度、明度)是因為這樣的顏色分割更符合人類對顏色的感知行為。其中H分量代表人類所能感知的顏色范圍，如乒乓球的黃色約處于10-30之間（范圍為0-255。這樣的顏色分割相對于RGB顏積，來判斷與機器人的距離與位置關系。小球的活動如下框圖所示：圖4-14機器人物體控制流程上下位機的通訊中下位機（單片機）UARTWiFiTCP/IPWiFiUARTTCP/IP使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結構化、標準化，提高可讀性和可性4-15如圖4-13為上位機發(fā)送給下位機的控制指令，其由包頭、包尾和相應的硬件控制指令字節(jié)組成。由于串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是以8位（1字節(jié)）為一個單元，其0~255（無符號，或者為-128~127（有符號。舵機的轉角與其輸入的波形的關系如下：圖4-16舵機轉角與其輸入的信號的關根據(jù)圖4-14所示，舵機轉角所對應的輸入的波形的占空比范圍為?????????90°=0.5÷20×100%=????????90°=2.5÷20×100%=即，欲使舵機穩(wěn)定地在?90°~90°角度之間運動，則需控制輸出的信的占空比范圍為25~12550Hz0~255，25~125令后將其除以10并直接賦值給信號輸?shù)恼伎毡瓤刂平涌?，即可完成對機的控制。128~1274-17如圖4-14為下位機向上位機傳輸?shù)南嚓P數(shù)據(jù)格式，這些數(shù)據(jù)有些是由下位形轉換為物的距離，或者由下位機運行某些算法進行數(shù)據(jù)處理，得出有效8空間較大，便將其于一個16位的變量內(nèi)，在向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的時候?qū)⑦@164-18結由于本作品設計到的理論知識繁多，在開發(fā)期間遇