家用陪护机器人设计-bak

[]家用陪护机器人是面向家庭的服务型机器人其主要功能是在家中进行自动巡逻环境安全并支持控制对行动不便的人（如老年人、[]家用陪护；安全；自动导航；控添加最终作品；英要；DesignofaHouseholdEscort:家用陪护机器人设 DesignofaHouseholdEscort 绪 引 设计背景，意 研究现 总体方 结构方 机器人周边执行件的选 机器人三维模 控制方 硬件系 机器人底盘电气系统设 机器人驱动电机设 机器人两轮差速转向模 下位机微处理器及传感器的选 下位机微处理器陀螺仪/加速度 GSM通讯模 环境传感 上位机开发环境的选 无线数据传输方案的选 NRF24L01无线传输模 串口转WiFi模 软件部分设 下位机软件设 电机驱动、测 陀螺仪/加速度传感器的驱 传感器控制逻 上位机部分软件设 上位机主程序设 4.2.2头路径信息并进行循迹运 数据通讯协 结 致 参考文 绪生产中，也被运用于港口中，甚至被携带到太空执行探险任务。它们的运用以用于陪护，也可以用于安防，或者能用于；面对的家庭成员可以是幼儿，女的角色往往是比较的同时中华民族尊老敬老的传统文化又使绝大多数中 （863计划总体具有足够高的头安装位置以获得完整人的图像此外机器人地盘不宜太宽，因为一般家庭的空间并不是很大，以免移动起来容易碰到家具；所以在保证1-1DC常用的机器人底盘结构方案是采电机驱动两个驱动轮另外在底盘的前扩展能力强，成本低、易于的特点。人们活跃的思维和新颖的想法都能利用这块小小的得以实现但是由于单片继电器等，以及驱动并相关传感器的信息（如超声波传感器、电机编以实现主机对从机的实时控制；而以国家仪器（NI）开发的LabVIEW为编程PC（上位机2-1硬件3-1轮距(𝐵1=130% （3-

=

−

−

−

=𝑛𝑇𝑡−𝐶𝐷𝐴𝑢2−𝐺𝑠𝑖𝑛𝛼−𝛿𝑚

（3-

𝐺sinα=𝑛𝑇𝑡− （3-其中，αfrt—驱动轮的动力半径Tt－电动机输出轴转矩（N∙mn

=

（3-路面滚动阻力系数𝑓=0.018，α=30°，𝑟𝑡=0.075m,n=2(𝐺𝑓𝑐𝑜𝑠α+𝐺sinα)𝑟𝑡𝑇𝑡=

(9.8×20×0.018×cos30°+9.8×20×sin30°)×2≈4.08N.综上所述，要求选用的电机输出轴转矩𝑇𝑡≥4.08N.m根据机器人最高行驶速度计算电机输出轴转速已知机器人设计最高行驶速度𝑣𝑚𝑎𝑥=1𝑘𝑚/𝑠=0.28𝑚/𝑠，根据驱动轮转速𝑣𝑚𝑎𝑥=𝑟𝜔= （3-𝑛=𝑣𝑚𝑎𝑥

（3- 解得，𝑛𝑡=0.59r/s=3-2545DC12V-3000-选择电机表3-3545电机配套比455由上述计算可知，电机输出轴转速以及转矩要求：𝑛𝑡≥35.4𝑟/𝑚𝑖𝑛、𝑇𝑡≥4.08Nm已知齿轮传动效率𝜂0=0.99，求出各器输出轴扭矩与转速𝑇𝑡90=90𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=90×0.064×0.994=5.53𝑁. （3-𝑇𝑡131=131𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=131×0.064×0.995=7.97𝑁. （3-𝑇𝑡168=168𝑇𝑡𝑞𝜂𝑡=168×0.064×0.995=10.22𝑁. （3- =𝑛0=5600= （3- =𝑛0=5600= （3-

=𝑛0=5600= （3- 其中，𝑇𝑡𝑞—电机输出转矩𝑛0—电机输出转速有计算结果可知，选用比为131的器更接近于设计要求应用于机器人上的各类传感器主要有超声波传感器轮速编磁力计、陀螺仪/加速度计、GSM下位机微处理器3-1STM32STM32F101xxARMM3功耗低，处理速度快。72MHz36212ADC4UART、18SPI，18MHzI/OST由于库的完整性高使民间用户之间的程序移植变得更加简单程序也更单易懂。3-2陀螺仪/加速度传感器采用InvenSense的MPU6050六轴陀螺仪传感器，通过与单片机的IIC通讯可以直接传感器测量的三轴加速度值与三轴角速、MPU6050还具有异于传统陀螺仪传感器的优点：其内部集成了Digital（DMP，备的特点。利用四元数的姿态结算，能够直接特出被测量物当前的姿态角、GSM该模块选用了西门子TC35GSM开发板作为/通信模块该模块兼容RS232串口通讯模式,可以连接PC或者单片机,通过发送特定的指令,使其发送短信或者拨打。GSM通信模块主要用于出现特殊事态时机器人向监护人发送警告信输以及LabVIEWWebserver手动控制，即可观察当时机器人所的环境环境传感3-3通过安装各类环境安全传感器，使机器人拥有环境安全性判断能力。MQ-5烟雾/火焰传感器，用于环境内烟雾浓度，发出火灾警报3-4LabVIEWLabVIEW是一种程序开发环境[7]，由国家仪器（NI）公司研制开发。但它不同于CBASICLabVIEWG形式；LabVIEW3-5LabVIEWLabVIEWPC讯才能完成。PC的，故不能直接采用有线串口通讯的方式。NRF24L01PCRS232TTLPCRS232NRF24L01模块特点：该模块是工作在2.4GHz~2.5GHzISM频段的单片无TTLRS-232模块使单片机与PC其在单片机端采用TTL接口形式连接，而在PC端则采用RS232接口形式连PC，缺点：该模块是以半双工形式进行数据交换的单片机的数据的实时任务。且数据传输效率较低，错误率高。，WiFi串口转WiFi模块是新一代嵌入式WiFi模块，体积小，功耗低。采用UARTIEEE802.11TCP/IP该模块的使用方法与其它模块有所不同，其相当于在PC和单片机之间插入一个信息中转站，单片机通过普通的TTL串口形式向中转站接收或发送数据；而PC则在连接上WiFi模块发射的WiFi信号，使其连到模块所创建的局域网内，通过TCP/IP协议向模块发送数据，到信息中转站内，或往中转站内取出单PC最终方案：实测显示，NRF24L01数据传输错误率高，速率较慢，而WiFi模块数据传输稳定，效率高；且由于机器人的图像是通过WiFi模块将数据 软件部分设电机的驱动电路采用H4-14-1H信号进行触发另外驱动电路还会有一个信号输入接口用于调节电机转速光电编测量电机转出若干脉冲信号通过计算每秒光电编输出脉冲的个数就能反映当前电动机图4-2光电编原如图4-2光电编测速原理为电机旋转时编单元产生的脉冲信号。STM32 𝑟=

（4-131。图4-3光电编输出脉式，这款集成了一个陀螺仪传感器和一个加速度传感器。如图4-4所示，陀4-4如图4-5为模块电路图，与单片机IIC连接的是J2CON2中的SDA（数据线）和SCL（时钟线；而模块提供IIC总线挂载接口，即J1CON1中的XCL角的误差（绕z轴旋转的角度而该模IIC通讯地址由J1CON1AD0所决定，当AD0输入为高电平时，设备的地址为，当AD0输入为低电平时，设备的地址为。如下图可看出，AD0口外接了一个下拉电阻，即在AD0引脚没有输入图4-5MPU6050电路模块数 及运单片机可以通过IIC总线向运动中的MPU6050三轴轴向加速度以及绕4-6上的X,Y轴与世界坐标系中的z轴（竖直方向）之间的夹角，加速度计计算夹角竖直方向的夹角。例如，当模块由水平状态绕其自身的Y轴顺时针旋转一定角度时，模块X𝑎𝑥，则可计算出转过的角度为：

=arcsin （4-其中，GY𝜃𝑦=∫ （4-其中，𝜔𝑦—绕Y那么应该用什么标准校准陀螺仪计算值呢？答案是利用加速度传感器的测将两者结合到一起的滤波算法称为互补滤波算法[]，其计算过程如下：𝜃=a×(𝜃+𝜔𝐺×dt)+(1−a)×𝜃𝐴 a—𝜔𝐺𝜃𝐴dtdta

（4-X,Y积分运算计算出绕Z轴的转角（Z轴的转角无法依靠加速度传感器进行滤波，需据进行进一步更新处理而得出。而MPU6050模块内置DMP（DigitalMotion数、角等。𝑄=𝑞0+𝑞1𝑖+𝑞2𝑗+ （4-其中，𝑞0，𝑞1，𝑞2，𝑞3求。例如原坐标系上的点（𝑥0,𝑦0,𝑧0，原坐标分别绕其z-y-z轴旋转一定的角度ᴪ,θ,φ角度到新的坐标系，此时该点在新的坐标系中的位置是（𝑥1,𝑦1,𝑧1） 0|𝑦1|=𝐶𝑟 （4-0

（4-（4-其中（𝑥′,𝑦𝑧′）—旋转后点在新的坐标系中的位置；λ,𝑃1,𝑃2,𝑃3—四元数对于世界坐标系𝑋′4-7促使机器人通过GSM模块向监护人发出信息，并持续产生警报声。其工作过图4-8安全传感器控制逻辑LabVIEW4-9LabVIEW枢纽，提供多种数据以及控制接口以供其它程序。头路径信息并进行循迹运息简单（只有真与假4-104-104-11提取效果图：4-114-12物体的识别与是对彩像的像素进行HSL分割，以提取黄色乒乓球的颜色特点，更好地在复4-13如图14所示，在复杂的环境中，无法单纯通过二值化将物体的边界找出，而机器人在进行物体势必会遇到复杂的背景环境物体形状特征识别结合颜HSL颜色分量：使用HSL分量(色相、饱和度、明度)是因为这样的颜色分割更符合人类对颜色的感知行为。其中H分量代表人类所能感知的颜色范围，如乒乓球的黄色约处于10-30之间（范围为0-255。这样的颜色分割相对于RGB颜积，来判断与机器人的距离与位置关系。小球的活动如下框图所示：图4-14机器人物体控制流程上下位机的通讯中下位机（单片机）UARTWiFiTCP/IPWiFiUARTTCP/IP使传输的数据结构化、标准化，提高可读性和可性4-15如图4-13为上位机发送给下位机的控制指令，其由包头、包尾和相应的硬件控制指令字节组成。由于串口传输的数据是以8位（1字节）为一个单元，其0~255（无符号，或者为-128~127（有符号。舵机的转角与其输入的波形的关系如下：图4-16舵机转角与其输入的信号的关根据图4-14所示，舵机转角所对应的输入的波形的占空比范围为𝐷𝑢𝑡𝑦−90°=0.5÷20×100%=𝐷𝑢𝑡𝑦90°=2.5÷20×100%=即，欲使舵机稳定地在−90°~90°角度之间运动，则需控制输出的信的占空比范围为25~12550Hz0~255，25~125令后将其除以10并直接赋值给信号输的占空比控制接口，即可完成对机的控制。128~1274-17如图4-14为下位机向上位机传输的相关数据格式，这些数据有些是由下位形转换为物的距离，或者由下位机运行某些算法进行数据处理，得出有效8空间较大，便将其于一个16位的变量内，在向上位机发送数据的时候将这164-18结由于本作品设计到的理论知识繁多，在开发期间遇