一種雙模控制的自主跟隨機器人系統(tǒng)設(shè)計

徐 軍，楊 雄，陳怡佳，馬 靜

(哈爾濱理工大學(xué)自動化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

跟隨機器人是未來機器人發(fā)展的重大趨勢[1-3]。跟隨機器人具有未來產(chǎn)業(yè)鏈長、行業(yè)帶動性強以及戰(zhàn)略布局分散等特點。目前的各類跟隨機器人，如Five Elements Robotice公司的Budgee和CaddyTrek公司的電動高爾夫球童等，大多根據(jù)慣性跟隨方法，在穩(wěn)定性和實時性等性能方面尚有一定的缺陷[4-7]。而隨著科技的發(fā)展，圖像處理技術(shù)日趨成熟，視覺跟隨逐漸成為熱門研究領(lǐng)域，在工業(yè)、娛樂和交通等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[8-10]。

本文設(shè)計的自主跟隨機器人，采用視覺跟隨方法，以AprilTags[11-12]標(biāo)記作為跟隨目標(biāo)，通過視覺傳感器對圖像進(jìn)行采集。微控制器(micro control unit,MCU)對圖像進(jìn)行識別處理，獲取目標(biāo)的相應(yīng)位置和數(shù)據(jù)。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計了雙模控制。手機端上位機通過WiFi向機器人發(fā)送控制模式命令，既可自主跟隨，又可手動遙控。本文研制了系統(tǒng)模型機，完成了對機器人的調(diào)試工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案與硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

自主跟隨機器人系統(tǒng)包括自主跟隨模式和遙控模式2種運行方式，運行方式由Processing編寫的手機端應(yīng)用程序(application,APP)控制，通過WiFi 模塊與手機端APP通信。ATmega328作為主控芯片控制各模塊運行。在自主跟隨模式下，系統(tǒng)接收視覺傳感器OpenMv對標(biāo)記的定位信息，調(diào)用跟隨算法，驅(qū)動電機運動，使機器人跟隨標(biāo)記移動并保持相應(yīng)距離。遙控模式下，系統(tǒng)通過2.4 GHz射頻模塊接收遙控命令，驅(qū)動機器人行走。自主跟隨機器人系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖 Fig.1 Block diagram of the system

1.2 硬件設(shè)計

機器人的硬件組成部分主要包括視覺傳感器、無線通信模塊、電機驅(qū)動電路、電源和主控制器。

1.2.1 視覺傳感器

為了實現(xiàn)自主跟隨效果，系統(tǒng)首先需要具備感知目標(biāo)功能，對目標(biāo)位置信息進(jìn)行定位。為此，系統(tǒng)采用OpenMv視覺傳感器作為系統(tǒng)的感知元件。OpenMv是基于STM32F4XX ARM Cortex-M7單片機的一款開源機器視覺模塊，搭載OV7725攝像頭，并且板載MicroPython解釋器。OpenMv視覺傳感器具有的功能包括I/O控制、人臉檢測、邊緣檢測、關(guān)鍵點提取和標(biāo)記識別，以及強大的圖像識別處理能力。

1.2.2 無線通信模塊

無線通信部分包括2個方面。一是系統(tǒng)與手機端APP之間的通信。采用無線WiFi模塊ESP8266，實現(xiàn)手機端對系統(tǒng)的控制以及運動模式選擇的功能。ESP8266是一款低功耗的UART-WiFi透傳模塊，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，數(shù)據(jù)傳輸可靠性好，最大傳輸速率可達(dá)460 800 bit/s。二是系統(tǒng)與遙控裝置之間的通信。采用2.4 GHz射頻模塊NRF24L01，實現(xiàn)遙控模型下，遙控裝置對機器人控制命令的傳輸。該模塊主要由nRF24L01射頻芯片及其外圍電路組成，而nRF24L01芯片是由挪威的Nordic公司生產(chǎn)的一款單片射頻收發(fā)芯片，其工作的ISM頻段為世界通用頻段2.4～2.5 GHz，工作電壓為1.9～3.6 V，控制器通過串行外圍設(shè)備接口(serial peripheral interface,SPI)與其通信。

1.2.3 電機驅(qū)動電路和電源

系統(tǒng)采用24 V可充放電鋰電池供電。該鋰電池作為動力部分電源，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片為系統(tǒng)提供3.3 V和5 V控制部分電源。

機器人電機驅(qū)動部分采用MC33886全橋驅(qū)動芯片，24 V電壓供電，最高電流達(dá)5 A，脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)的頻率可達(dá)10 kHz。電機驅(qū)動電路具有輸出短路保護(hù)、欠壓關(guān)閉、故障狀況報告等功能，可確保機器人的穩(wěn)定運行。單個電機驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動電路圖 Fig.2 Motor drive circuitry

1.2.4 主控制器

自主跟隨機器人主控制器和遙控裝置的控制器均采用型號為ATmega328的AVR芯片，具備SPI接口、UART串口、數(shù)字口和模擬口拓展等。在作為跟隨機器人控制器時，通過SPI接口獲取OpenMv視覺傳感器對目標(biāo)的定位信息。SPI復(fù)用控制nRF24L01無線通信，接收遙控裝置的控制命令，串口驅(qū)動ESP8266WiFi模塊，接收上位機的控制命令，PWM輸出控制電機運動。ATmega328作為遙控裝置主控時，模擬口采集電位計電壓值，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)而轉(zhuǎn)換為運動量，并配有靈敏度調(diào)節(jié)按鍵。通過SPI控制2.4 GHz無線射頻模塊nRF24L01，將運動量發(fā)送給機器人系統(tǒng)。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括手機端APP、遙控裝置程序、目標(biāo)識別與定位以及機器人主體程序等設(shè)計。

2.1 手機端APP和遙控裝置程序設(shè)計

手機端APP和遙控裝置程序流程如圖3所示。手機端APP采用Processing軟件編寫，主要功能是控制機器人的啟動以及運行模式的選擇。由手機連接機器人發(fā)出的WiFi信號，通過用戶數(shù)據(jù)報網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)向機器人主機發(fā)送控制命令。遙控裝置作為系統(tǒng)的輔助部分，主要功能是在不良環(huán)境下實現(xiàn)對機器人運動的控制。

圖3 手機端APP和遙控裝置程序流程圖 Fig.3 Flowchart of mobile phone APP and remote control device program

2.2 機器人主體程序設(shè)計

自主跟隨機器人的主體程序首先對I/O口、PWM、SPI等進(jìn)行初始化，并且初始化UDP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。然后進(jìn)入待機模式，等待上位機的運行指令，接收UDP發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷運行模式。在自主跟隨模式時，SPI片選OpenMv視覺傳感器，接收傳感器傳來的目標(biāo)定位信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為目標(biāo)相對于攝像頭的三維坐標(biāo)。機器人解析坐標(biāo)信息，根據(jù)相應(yīng)的跟隨算法驅(qū)動電機運動，使機器人跟隨目標(biāo)并保持相應(yīng)的距離，運動包括前進(jìn)、后退、左右移動等。而在遙控模式時，系統(tǒng)通過無線接收遙控裝置傳來的控制指令，手動控制機器人的行走。機器人主程序流程如圖4所示。

圖4 機器人主程序流程圖 Fig.4 Flowchart of robot main program

2.3 目標(biāo)識別與定位程序設(shè)計

目標(biāo)識別定位是自主跟隨的基礎(chǔ)，通過在硬件平臺OpenMv上搭載的MicroPython解釋器，利用Python語言實現(xiàn)識別定位算法。當(dāng)系統(tǒng)運行在跟隨模式下，OpenMv視覺模塊開始在攝像頭范圍內(nèi)尋找目標(biāo)。根據(jù)相應(yīng)的識別定位算法，計算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息(X，Y，Z)，通過SPI傳送給運動部分的MCU。目標(biāo)識別定位程序流程如圖5所示。

圖5 目標(biāo)識別定位程序流程圖 Fig.5 Flowchart of target recognition and positioning program

3 調(diào)試過程與測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計方案，搭建系統(tǒng)測試模型機，對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行調(diào)試驗證。自主跟隨機器人系統(tǒng)配備載物倉，提供給使用者裝載物品，跟隨用戶行走。

為實現(xiàn)跟隨效果，本文采用AprilTags作為機器人跟隨標(biāo)記，如圖6所示。AprilTags由黑白相間的、類似于二維碼的方塊組成，是由密歇根州大學(xué)的April實驗室開發(fā)的一個免費開源的視覺定位系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于機器人、無人機等定位系統(tǒng)中。

圖6 AprilTags跟隨標(biāo)記圖 Fig.6 The following mark of AprilTags

主控制器根據(jù)獲取到的目標(biāo)三維坐標(biāo)信息，調(diào)用差速算法，驅(qū)動電機運動，使機器人跟隨目標(biāo)行走。機器人速度由目標(biāo)的X軸坐標(biāo)和Z軸坐標(biāo)確定。

VL=KC|(|Z|-Z0)-(X-X0)|

(1)

VR=KC|(|Z|-Z0)+(X-X0)|

(2)

式中：VL為左輪速度標(biāo)量；VR為右輪速度標(biāo)量；KC為速度系數(shù)；Z0為Z軸跟隨閾值，決定了跟隨距離；X0為X軸偏移量。

KC、Z0和X0需要根據(jù)調(diào)試效果確定。本文經(jīng)過調(diào)試，最終確定了KC為38、Z0為7、X0為0時，跟隨效果最佳。

獲取到左輪和右輪速度標(biāo)量之后，將式中VL和VR映射到0～255，作為PWM值驅(qū)動電機運動。左輪和右輪速度標(biāo)量值與坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 左、右輪速度標(biāo)量與坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系圖 Fig.7 Speed scalars of left and right wheels and corresponding coordinate value

通過調(diào)試，最終驗證了系統(tǒng)的整體功能。自主跟隨機器人可在2種運行模式下穩(wěn)定工作，與上位機的無線WiFi通信穩(wěn)定。在遙控模式下，對機器人的控制穩(wěn)定，方向靈敏，速度可調(diào)；在自主跟隨模式下，對標(biāo)記的識別率較高，能夠穩(wěn)定跟隨標(biāo)記運動，滿足預(yù)期要求。

4 結(jié)束語

本文采用AprilTags作為跟隨標(biāo)記，利用OpenMv機器視覺傳感器對標(biāo)記進(jìn)行識別定位，調(diào)用差速跟隨算法驅(qū)動電機運動，使機器人跟隨標(biāo)記行走。開發(fā)手機端上位機，并通過WiFi向機器人發(fā)送控制命令，選擇運行模式。使用無線射頻模塊傳輸遙控裝置的手動遙控命令，實現(xiàn)雙?？刂?。搭建了1臺系統(tǒng)模型機，對系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)無線通信穩(wěn)定，實現(xiàn)了機器人對特定目標(biāo)的自主跟隨和手動遙控跟隨，滿足預(yù)期要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 蔣建東,張鈞,李聰聰,等.履帶式移動機器人自主跟隨算法研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017(4):355-360.

[2] 彭遠(yuǎn)哲.自助跟隨平衡車的電子控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制,2017,25(4):96-99.

[3] 欒祿祥.室內(nèi)移動機器人機器視覺定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化儀表,2017,38(2):49-52.

[4] 汪小旵,魯偉,陳滿,等.基于改進(jìn)純追蹤模型的溫室采摘運輸自動跟隨系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016,47(12):8-13.

[5] 陳璐寒,張鵬,宋成.一種智能跟隨機器人[J].通信世界,2016(21):263-265.

[6] 王欣,徐智,陶鳳,等.基于超聲波測距的跟隨小車設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),2016,12(17):246-247.

[7] 徐文浩,羅冠清,陳亞文,等.智能搬運機器人的研究與設(shè)計[J].科技廣場,2016(4):170-173.

[8] 譚曉敏,韋雪梅,豐彬,等.基于DSP的運動人體小車跟隨系統(tǒng)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,40(6):1517-1525.

[9] 劉子龍,丁玉靜,江艷霞.四輪移動機器人跟隨控制[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,42(5):1348-1353.

[10]張雁寧.基于STM32和pixy CMUcam5視覺傳感器的雙控制模式全向車的設(shè)計[J].電子制作,2016(16):8-11.

[11]WANG J,OLSON E.AprilTag 2:Efficient and robust fiducial detection[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robot & Systems,IEEE,2016:4193-4198.

[12]楊勇,梁建宏,張代兵.一種基于視覺的小型無人機室內(nèi)編隊飛行系統(tǒng)設(shè)計[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2017(2):45-48.