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轻松实现交互式机器人小车设计,提供软硬件设计指南

作者:angelazhang时间:2015-06-09

一、项目概述

1.1 引言

交互式机器人小车主要是将语音的交互、视频的传送、动作的捕捉等功能结于一体,帮您实现视觉、听觉的拓展,无限缩短您与您家人的距离。它将采用具有超强的音频解码和流媒体处理能力的AT32UC3A0512作为核心;以Wi-Fi模块作为传输和控制的介质,从而有效保证媒体质量;用两驱三轮小车作为载体,充分确保小车定位与导航的灵活性。两块60mm*100mm左右的太阳能电池板,在阳光充足时可提供近2w左右的功率,让小车可以快速完成自动充电的过程。而自动寻光模块则解决了小车如何自动充电的问题,它主要由光敏传感器和微控制器中的蚁群算法构成,确保小车可以快速寻找到光源最充足的地方。

 

1.2 项目背景/选题动机

社会节奏越来越快,父母、孩子、工作似乎已很难兼顾,而我们的交互式机器人小车将为您排解这一忧虑。它可以让您无论身在何方都可与您的孩子进行互动式游戏;向您远在家乡的父母发出一声深情的问候;还可在家中巡视。当然现在家用机器人的安全问题已成为我们不得不面对的难题,我们的交互式机器人小车作为家用机器人中的一员,您可能也会发出它会不会泄露家庭隐私的疑问。在此我们不能保证绝对安全,但会为您构建专门的VPN通道,将我们的机器人小车的安全做到最好。同时在能源方面,我们设计的是太阳能充电和手动充电结合。在空闲模式时,机器人小车会自动寻光进行太阳能充电,这样可以基本省去您充电的麻烦。

 

二、需求分析

2.1 功能要求

①、对EVK1105上的USB进行设计,实现与常用免驱摄像头的直接连接,并从中完成高分辨率的视频图像的信息提取。

 

②、结合Wi-Fi模块和EVK1105板上的网络模块将我们的机器人小车连接到Internet上,当然在其中我们会申请VPN通道,从而确保信息的安全。

 

③、可以将视频和声音通过WiFi传到Internet上,同时可与对应客户端进行信息的传递。

 

    ④、可以实现即时语音通信,如QQ、MSN软件中的语言聊天

 

    ⑤、空闲时交互式机器人小车可以自动寻光,并利用太阳能电池板对电池充电

 

    ⑥、摄像头可以3自由度旋转,并实现互动式操作

 

⑦、小车可以自动定位和导航,自动躲避障碍,对障碍的盲区一般可控制到2cm范围以内。

 

⑧、当遇到撞击的情况,可通过振动传感器进行有效检测,再回到原位从新避过。

 

2.2 性能要求

充分利用EVK1105板上资源;可实现高清视频的获取及传送;可完成即时的语音交互,延时不超过1秒;可以直接越过3cm高的台阶;可以续航10小时,阳光充足时可实现6小时把电充满;铝合金打造坚不可摧,能承受高强度撞击。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

我们的交互式机器人小车主要可以分为EVK1105核心控制模块、Wi-Fi无线网络模块、传感器信号采集模块、视频语音采集模块、L298N电机驱动模块、太阳能充电模块和车体模型七大模块。具体系统硬件结构框图如下所示:

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 图(1):交互式小车系统结构框图

 

其中Wi-Fi网络模块我们暂时考虑用无线路由器再结合EVK1105上的网络服务模块来构建,暂不详述。下面将着重介绍传感器信号采集模块、视频语音采集模块、L298N电机驱动模块(包含舵机控制)、太阳能充电模块的基本原理:

 

3.1.1、传感器信号采集模块

在这一模块中我们主要用到了ADXL345三轴加速度传感器、避障用的红外光电传感器(经试验这样避障会产生较大盲区,如算法优化不成功我们可能会以超声波测距模块替换)、霍尔元件、震动传感器、光传感器。在这一模块中除装备了必要的传感器外,我们还将为它留下充足的传感器拓展口,以方便以后进行功能的拓展和一些性能方面的改进。

 

其中ADXL345是一款高精度数字式的三轴加速度传感器,它具有在16G下高分辨率(13Bit)测量能力,同时支持SPI和I2C通信方式。有了它便可有效的检测出小车的运动路径,还确保了机器人小车行驶过程中的平稳。具体模型如下:

 

 

设机器人的初始位置为( X 0,Y 0 ),对x 轴的初始偏角为α0  ,经过单位时间t 后机器人的位置 (Xt,Yt)为:

X=2Rsin(R/2)cos(α0 +β/2)+X0

Y=2Rsin(R/2)sin(α0 +β/2)+Y0

 

 

光电传感器用于对障碍的检测,它的有效检测距离可达30cm且不受光线强弱影响,具体连接如图(2)所示。小车的速度检测我们是通过霍尔元件来实现的,具体原理是在车轮加上强磁体,然后让MCU根据霍尔元件传会的脉冲定时,再结合车轮直径便可算出车速。震动传感器则用于检测车体是否发生碰撞。光传感器主要是为太阳能自动充电服务的,有点类似于一般的智能车自动寻找点亮的蜡烛并将其熄灭的过程。而我们的光传感器传回的主要是模拟信号,因此要先对其进行AD转换,再根据转换结果分析光的强弱。

 

3.1.2、视频语音采集模块

在本系统中我们暂时使用的是一般的免驱摄像头加CH374来获取的,但在EVK1105我们会考虑直接加驱动连接获取。对于语音的采集,虽然摄像头中内置了麦克风,但我们试验发现效果并不好,对于这一问题我们考虑用外置麦克风解决。

 

3.1.3、L298N电机驱动模块

具体原理图如下所示。这一模块主要用对小车速度和方向的控制,MCU只要为其提供2路PWM信号和两路方向信号即可。

 

  

                          图(3):L298N电路原理图

 

3.1.4、太阳能充电模块

这一模块我们主要用滴胶太阳能电池板和DC-DC升压电路来实现。具体原理图如下所示:

 

                     图(4):DC—DC升压电路

 

 

3.2 硬件平台选用及资源配置

由于考虑到本系统对视频和语音的要求比较高,因此我们选择具有强大的音频解码和流媒体处理能力的EVK1105硬件平台作为核心控制器,并且EVK1105在USB模块方面的配备和引导将为我们的设计提供极大的方便。在我们的交换式机器人小车中将EVK1105将作为一USB主机,通过相应USB驱动从摄像头中获取视频信号并由板上的液晶模块显示。同时USB还负责一个音响的控制,实现音频的播放。而我们的Wi-Fi模块主要依赖与EVK1105的网络拓展,通过EVK1105相关网络服务的引导,我们会构建一简单的Web Server,然后只需通过网络远程访问这个Web Server便可获取相关信息或对小车实行相应的控制。而我们的电机和舵机控制用的PWM信号将由AT32UC3A0512的相应I/O提供,传感器模块及其它相关输出操作则由普通I/O口完成。 

 

 

3.3系统软件架构

 

                                图(5):系统软件架构

 

 

3.4 系统软件流程

从流程图中可以看出我们的机器人小车在空闲时会自动寻找光源,当找到充足的光源后它充电的同时会进入睡眠模式,这样可以把能源的消耗降到最低。如果在这时有控制申请,系统会以中断的方式唤醒AT32UC3A0512。在进行系统远程登录操作时首先要通过身份验证,同时为了保证信息的安全我们还会为其配备专门的VPN通道。验证通过后,系统则自动将检测到得信息先处理,在进行打包发送。在视频显示环节,EVK1105板上显示器要同步显示。当信息发送完毕后,系统自动检测接受缓存区是否有数据。如有则接受相应信号,并对其进行分离,具体如上流程图所示。

                              513f42c2f3d42-thumb.jpg

图(6):程序运行流程图

 

3.5 系统预计实现结果

在有网络的情况下,只需登录相应网页并通过身份验证,就可与机器人小车周围的人交谈。还可通过远程控制小车,观察小车周围的任意场景。小车的摄像头可以随着客户端鼠标的上下左右移动而一起移动,方便对任意角度的观察。控制时只需在接受的视频上移动鼠标点中想让小车到达的目的地,它便可自动到达。或者也可直接为它设置行进路径,就如一些游戏中目标的路径移动一样。在不对小车进行操作时,机器人小车会进入空闲模式。此时小车会根据时间判断是否自动寻找光源,当寻找到光源时小车则进入睡眠模式并进行充电。小车寻找目的地时可以自动辨别最优路径,在行进过程中如遇到障碍会自动躲避,如发生意外撞击则先归位再自行绕开。




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