基于樹莓派的目標跟蹤六足機器人系統設計

摘 要：為了解決人類在極端環境探索和作業時的安全性問題，設計了一款六足機器人。該六足機器人以樹莓派4B為控制核心，具備目標跟蹤、行走、越障、遠程控制等功能；采用三角步態行進，提高了穩定性和自由度；搭配攝像頭等多種傳感器模塊，可以實時采集周圍環境信息；與控制核心進行數據交換，通過驅動模塊控制舵機運動，從而實現目標跟蹤控制。該六足機器人可用于抗震救災、礦難救援等情景下的目標勘探。

關鍵詞：六足機器人；樹莓派；機器視覺；目標跟蹤；避障；步態規劃

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-0-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.027

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，人類對于在極端環境下應用先進技術的需求日益增加。在地震災害、礦難事故、山體滑坡等特殊環境下，往往存在地形復雜、路面崎嶇、障礙物多等問題，人類直接進行勘探會存在諸多安全隱患[1]，因此需要機器人代替人類進行勘測。常見的勘探機器人有履帶式機器人、輪式機器人、足式機器人[2-4]。其中，足式機器人又可分為雙足機器人、四足機器人、六足機器人以及八足機器人。六足機器人在足式機器人中最常見，其具有自由度高、運動方式多樣化、立足點離散等特點，可進行多樣化的步態設計[5]。

本文設計了一款基于樹莓派的六足機器人，能夠適應崎嶇地形，結合多種傳感器和視覺算法，可實現步態規劃、主動避障、多自由度協同運動、目標跟蹤[6]等功能，使其能夠對山地、草地、沙地、礦洞等復雜地形進行探索。

1 六足機器人整體控制方案

1.1 六足機器人需求分析

為了確保六足機器人能夠穩定地運行，需要從硬件和軟件兩個層面提出控制要求，并進行需求分析。六足機器人在進行步態行走時，需要自主進行避障，實時調整六足姿態協同運動，實現直行、轉彎、避障，并且要能對目標進行追蹤；另外還需要遠程遙控機器人運動，并將周圍環境畫面實時顯示到終端，這對機器人的硬件和軟件設計提出了要求。

硬件層面設計要求如下：

（1）處理器的計算能力強。六足機器人系統內部要處理大量的傳感器信息，并發送驅動命令給多個執行元件，執行元件反饋數據給中央處理器，處理器內部做出相應運算修正驅動命令，這一過程中會產生大量的數據，需要處理器對采集到的信息進行融合處理，因此對于處理器的實時計算性能有較高要求。

（2）多傳感器融合[7]。機器人的關節舵機反饋、避障、目標跟蹤、視頻畫面傳輸功能都需要借助不同類型的傳感器實現，不同傳感器采集的信息往往具備不同特征，如模糊的與確定的、時變的與非時變的、實時的與非實時的，通過對傳感器及其測量信息的優化分配與使用，使得傳感器在空間和時間上形成互補與冗余的局勢，進而提高機器人系統的有效性。

（3）通信實時性強。在機器人行進過程中，驅動命令需要快速到達目標舵機，延遲時間不能超過2 ms。

軟件層面設計要求如下：

（1）程序模塊化。按照不同功能將機器人劃分為若干小程序模塊，每個小程序模塊實現一個確定的功能，并在這些模塊之間建立必要的聯系，通過模塊的互相協作完成整個

功能。

（2）上位機可視化。上位機通過與下位機或設備建立通信，實時采集監控數據，并將攝像頭畫面傳輸到上位機終端。

（3）步態穩定。六足機器人具有多關節、多自由度的特

點，決定了步態規劃程序必須考慮行走過程中的穩定性，以提高行進效率和目標跟蹤效果。

1.2 六足機器人控制原理

本文所設計的六足機器人依據仿生原理，足部采用三自由度關節腿結構，分為腰關節、髖關節、膝關節，由3個舵機和關節支架組成了機器人的一條腿，如圖1所示。

在進行目標跟蹤時，由上位機發送位置命令，處理器對攝像頭捕捉到的目標中心位置進行計算并得到偏差量；經過機器人步態規劃程序后，輸出位置信號給位置控制器，將位置控制量發送至舵機擴展板，帶動腿部關節舵機；最終機器人足部按照預先規劃好的運行姿態進行運動。期間由傳感器實時檢測腿部位置和姿態信息并反饋和更新位置控制量。六足機器人行走控制原理如圖2所示。

1.3 步態控制規劃

步態是指六足機器人在行進過程中，肢體在時間和空間上的一種協調關系，主要表現為規律的擺動方式，常見的六足機器人步態有三角步態、四角步態、五角步態。其中三角步態契合大多數昆蟲仿生學運動原理，重心穩定，且易于實現，能降低六足的互相干涉，適合絕大多數直行、轉彎、避障動作[8]。

三角步態行進原理如圖3所示，將六足劃分為兩組，身體左前足、左后足、右中足為組Ⅰ；右前足、右后足、左中足為組Ⅱ。當六足機器人需要前進時，先進入靜止站立的準備姿態，接著組Ⅰ的三條腿抬起并向前擺動，組Ⅱ的三條腿向后擺動，帶動機器人本體向前行進，同時組Ⅰ三條腿落下至恢復初始狀態；之后組Ⅱ的三條腿抬起并向前擺動，組Ⅰ的三條腿向后擺動，再次帶動機器人向前行進，最后組Ⅰ和組Ⅱ的所有腿恢復初始狀態。

通過對機器人落足點狀態的分析，機器人始終保持有一組腿落地，另一組腿抬起，落地腿向后蹬推動本體向前行進，兩組腿周期性交替，落足點分布呈現三角形，如圖4所示，灰色代表落足點[9]。

2 硬件系統設計

2.1 控制系統總體結構

六足機器人的控制系統以樹莓派4B作為控制核心，控制驅動模塊，驅動模塊控制六足上的舵機和頭部舵機，每只足部上有3個舵機控制腰關節、髖關節、膝關節轉動；同時電壓顯示器用來指示六足機器人的當前電量；電源模塊負責給樹莓派4B供電；發光超聲波傳感器用來探測機器人前端是否有物體；頭部舵機的旋轉帶動廣角攝像頭轉動，能實時捕捉前方畫面并傳回到電腦或手機；無線接收模塊提供遠程控制機器人的功能。控制系統總體結構如圖5所示。

2.2 硬件選型

六足機器人的硬件模塊型號、規格及各部件的功能見

表1所列。

（1）驅動模塊

六足機器人采用的是樹莓派專用擴展板，板載獨立開關電源，保證樹莓派的供電穩定；其具有2路PWM舵機接口，帶有1 A過流保護，從而提升使用安全性；其擁有6路總線舵機接口，方便機器人接線；其板載6軸傳感器IC，提升數據采集的穩定性；其擁有4個I2C接口，方便拓展；還引出多個GIPO引腳，方便開發。采用4PIN防反插接口，兼容各種傳感器。

（2）舵機

本文采用LX-224HV總線舵機來驅動機器人的關節，總線控制方式是用數據與舵機通信，通過指令包的發送和接收獲取舵機當前位置和需要抵達的位置，是一種閉環的控制形式。相比于PWM控制方式，總線控制舵機能夠實現對每個舵機的單獨編號，能控制更多參數，關節運動也更平順，方便后續動作組的編輯與步態規劃。舵機編號及布局如圖6

所示[10-11]。

（3）攝像頭

六足機器人在進行目標跟蹤時需要依靠機器視覺技術，攝像頭是應用機器視覺技術時的重要元器件，它負責圖像采集，能夠將采集到的外部圖像傳送給主控核心，攝像頭分辨率為600萬像素，可采集彩色圖像，數據通信接口類型

為USB 2.0。

（4）超聲波傳感器

超聲波傳感器是將聲波信號轉換為電信號的測量裝置，其具備頻率高、波長短、穿透性好的特點，被廣泛應用于測距，使用超聲波傳感器能探測位于六足機器人前方的障礙物情況，聲波碰到障礙物時會反射回接收端，以便控制器及時作出反應，調整機器人姿態做好避障準備，在路面地形復雜的情況下能很好地探測障礙物信息。

（5）無線通信模塊

SX1268無線通信模塊具有WiFi功能，支持TCP/UDP協議，可以支持開啟機器人熱點，供電腦或手機連接，抗干擾能力強，信號穩定。

3 軟件程序設計

3.1 主程序流程

六足機器人采用模塊化的程序設計法，利用樹莓派控制核心實現目標跟蹤和機器人運動，首先要進行主程序的設計。自動模式主程序流程如圖7所示。

3.2 目標跟蹤算法流程

目標跟蹤的原理是先設定目標的顏色，再在視野中尋找該顏色面積最大的輪廓。為了減少噪聲的干擾，需要判斷輪廓面積是否大于50 PPI，若大于50 PPI則認為該面積有效，之后獲取其最小外接圓，求得圓心橫坐標X及縱坐標Y，若目標圓心坐標和圖像中心點坐標偏差在20 PPI以上，則目標不在圖像中心，需要計算PID修正量并發送給頭部舵機，調節攝像頭位置，使目標處于圖像中心實現跟蹤。目標跟蹤算法流程如圖8所示。

3.3 步態規劃程序設計

六足機器人行進過程需要依靠事先規劃好的步態，步態規劃的本質是控制機器人六條腿上的舵機來改變腿部關節的角度，從而實現復雜動作。六足機器人自由度高，需要對18個

關節舵機加以控制，采用總線舵機方便對每個關節處的舵機編號；通過上位機軟件設置動作組，執行每個動作組使得18個

舵機的轉動對應一定角度。表2所列為六足機器人所需動作組文件及功能。

以低姿態前進為例，包含4個動作組，機器人順序執行動作組1～動作組4，改變18個關節舵機的位置，其中關節舵機位置范圍為0～1 500°，見表3所列。執行動作組1時，左前足、左后足、右中足抬起并向前擺動，右前足、右后足、左中足支撐身體；執行動作組2時，左前足、左后足、右中足落下，右前足、右后足、左中足向后擺動，身體向前移動；執行動作組3時，左前足、左后足、右中足向后擺動，右前足、右后足、左中足抬起并向前擺動；執行動作組4時，右前足、右后足、左中足落下。

4 實物功能展示

本文所設計的六足機器人實物如圖9所示。對機器人進行目標跟蹤實驗，跟蹤效果如圖10所示，目標能較好地保持在攝像頭視野中央，且目標跟蹤較快，可以達到200 ms。在手動控制時，可以通過手機APP端控制機器人前進、左轉、右轉、后退。

5 結 語

目標跟蹤六足機器人以樹莓派為控制核心，可通過手機APP進行遠程遙控，融合多種傳感器技術、機器視覺技術，實現機器人的穩定跟蹤與行進。后續的工作將進一步優化目標跟蹤算法，提高目標識別的效率，并豐富步態以提高機器人行走穩定性。

參考文獻

[1]陳斯琴. 六足機器人關鍵技術綜述[J].機電工程技術，2022，51（11）：146-152.

[2]劉知宇. 履帶式機器人控制系統研究[D].太原：中北大學，2023.

[3]肖奇軍，劉源杰，王潤宜，等. 基于人體動態行為的智能跟隨輪式機器人研究[J].機床與液壓，2021，49（11）：36-39.

[4]劉京運. 六足機器人亮相冰雪 足式機器人未來可期[J].機器人產業，2022，8（2）：51-54.

[5]范大川. 并聯腿式六足機器人的運動學分析和步態設計[D].長春：長春工業大學，2019.

[6]韓瑞澤，馮偉，郭青，等. 視頻單目標跟蹤研究進展綜述[J].計算機學報，2022，45（9）：1877-1907.

[7]張文玥，婁小平，陳福笛. 移動機器人多傳感器融合定位仿真研究[J].計算機仿真，2023，40（3）：436-441.

[8]盧健之，趙奕，趙塏杰. 基于樹莓派的六足機器人系統的設計與實現[J].物聯網技術，2022，12（6）：96-99.

[9]范開裕，王歡，房旭，等. 基于Arduino的森林防火六足機器人設計[J].通信與信息技術，2023，53（2）：34-38.

[10]王雅雪，吳志鑫，林瑞金，等. 基于Raspberry Pi的六足行走機器人設計[J].福建輕紡，2022，35（1）：32-38.

[11]薛志峰. 基于六足機器人的手勢識別應用研究[D].綿陽：西南科技大學，2020.

收稿日期：2023-08-15 修回日期：2023-09-15

基金項目：2023年無錫商業職業技術學院校級課題（KJXJ234 29）；2023無錫市科學技術協會立項課題（KX-23-

C119）；2023年無錫商業職業技術學院校級重點課題（KJXJ23301）；機器視覺工程技術中心（KYPT 21304）

作者簡介：薛燁豪（1995—），男，江蘇無錫人，碩士，助教，研究方向為機器人技術、自動化、機器視覺。