基于ESP32 單片機(jī)履帶探索機(jī)器人設(shè)計(jì)

張聚濤，孫 祥，王 超

（唐山學(xué)院教務(wù)處 河北 唐山 063000）

0 引言

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

探索機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋勘探和太空探索等眾多領(lǐng)域。 尤其在考古挖掘方面，由于山洞狹窄，無(wú)法確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，工作人員往往不便進(jìn)入［4］。 因此，研發(fā)更加智能、自主的探索機(jī)器人已成為當(dāng)前的主要研究方向，單片機(jī)因具有低功耗、低成本和高性能的特點(diǎn)，所以基于ESP32 單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)探索機(jī)器人，并通過(guò)加裝攝像頭以在手機(jī)端實(shí)時(shí)顯示環(huán)境畫面，能夠完善地實(shí)現(xiàn)人們對(duì)于探索機(jī)器人的需求。

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包含主控模塊、圖像模塊、控制模塊、電源模塊和移動(dòng)終端5 個(gè)模塊。 主控模塊用于實(shí)時(shí)處理整個(gè)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)；電源模塊用于供電，提供足夠的電力，以保證整個(gè)系統(tǒng)可以在沒(méi)有外部電源的情況下正常運(yùn)行；移動(dòng)終端指令通過(guò)主控模塊處理后通過(guò)控制模塊操控機(jī)器運(yùn)動(dòng)。 履帶探索機(jī)器人整體設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 履帶探索機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

該設(shè)計(jì)采用Arduino IDE 與Android Studio 作為開發(fā)平臺(tái)，使用SolidWorks 進(jìn)行底盤建模，使用履帶結(jié)構(gòu)使之適應(yīng)于大多數(shù)的復(fù)雜地形和坡度。 底盤建模設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 底盤建模設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊的硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)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(jī)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)。

ESP32CAM 單片機(jī)的實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 ESP32CAM 單片機(jī)實(shí)物圖

2.2 圖像模塊的硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)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(diǎn)，能更好地支持所需功能的實(shí)現(xiàn)。

圖像模塊的實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 圖像模塊實(shí)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(gè)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(guò)串口將返回顯示圖像的網(wǎng)絡(luò)地址，從而可顯示實(shí)時(shí)環(huán)境畫面。

2.3 控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

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

控制模塊的實(shí)物圖如圖6 所示。

圖6 控制模塊實(shí)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(gè)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(gè)電機(jī)相連。 IN1 到IN4 是邏輯輸入引腳，分別與ESP32CAM 單片機(jī)的IO2、IO14、IO15 及IO13 引腳相連接。 ENB 和ENA 兩個(gè)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(shè)計(jì)

3.1 主控模塊的軟件設(shè)計(jì)

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

圖8 主控模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

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

3.2 圖像模塊的軟件設(shè)計(jì)

圖像模塊用于對(duì)環(huán)境畫面進(jìn)行拍攝，其程序設(shè)計(jì)流程如圖9 所示。

圖9 圖像模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

由圖9 可知，圖像模塊首先進(jìn)行顯示圖像的初始化，然后連接網(wǎng)絡(luò)。 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(guò)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將其上傳至移動(dòng)終端，用戶可以查看該畫面。 ESP32CAM 單片機(jī)負(fù)責(zé)處理上傳的圖像數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

3.3 控制模塊的軟件設(shè)計(jì)

控制模塊是通過(guò)手機(jī)APP 來(lái)控制履帶探索機(jī)器人的行動(dòng)，其程序設(shè)計(jì)流程如圖10 所示。

圖10 控制模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

由圖10 可知，首先進(jìn)行初始化，成功連接網(wǎng)絡(luò)后，移動(dòng)終端需要接入同一個(gè)局域網(wǎng)。 通過(guò)在移動(dòng)終端上設(shè)置方向鍵，用戶可以向后端發(fā)送高低電平信號(hào)，這些信號(hào)由ESP32CAM 單片機(jī)接收后，再寫入控制模塊的4 個(gè)引腳，這4 個(gè)引腳分別用來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。 單片機(jī)會(huì)根據(jù)讀入的信號(hào)來(lái)判斷機(jī)器人的下一步動(dòng)作。

4 功能測(cè)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(jìn)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(jī)，可以在移動(dòng)終端進(jìn)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(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)被控制模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶探索機(jī)器人的移動(dòng)，其顯示效果如圖12 所示。

4.3 整體功能調(diào)試

履帶探索機(jī)器人實(shí)物如圖13 所示。 經(jīng)過(guò)測(cè)試，該履帶探索機(jī)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(wù)，功能設(shè)計(jì)完整，表明該設(shè)計(jì)方案合理。

圖13 履帶探索機(jī)器人實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于ESP32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一款履帶探索機(jī)器人。 該機(jī)器人可以拍攝周圍環(huán)境，并通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)顯示畫面。 此外，該機(jī)器人配備了遠(yuǎn)程控制功能，用戶可在移動(dòng)終端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)更加自由的探索。