徐 軍，楊 雄，陳怡佳，馬 靜

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

0 引言

跟隨機(jī)器人是未來機(jī)器人發(fā)展的重大趨勢(shì)[1-3]。跟隨機(jī)器人具有未來產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、行業(yè)帶動(dòng)性強(qiáng)以及戰(zhàn)略布局分散等特點(diǎn)。目前的各類跟隨機(jī)器人，如Five Elements Robotice公司的Budgee和CaddyTrek公司的電動(dòng)高爾夫球童等，大多根據(jù)慣性跟隨方法，在穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)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(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[8-10]。

本文設(shè)計(jì)的自主跟隨機(jī)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(duì)圖像進(jìn)行采集。微控制器(micro control unit,MCU)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)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(jì)了雙?？刂?。手機(jī)端上位機(jī)通過WiFi向機(jī)器人發(fā)送控制模式命令，既可自主跟隨，又可手動(dòng)遙控。本文研制了系統(tǒng)模型機(jī)，完成了對(duì)機(jī)器人的調(diào)試工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

自主跟隨機(jī)器人系統(tǒng)包括自主跟隨模式和遙控模式2種運(yùn)行方式，運(yùn)行方式由Processing編寫的手機(jī)端應(yīng)用程序(application,APP)控制，通過WiFi 模塊與手機(jī)端APP通信。ATmega328作為主控芯片控制各模塊運(yùn)行。在自主跟隨模式下，系統(tǒng)接收視覺傳感器OpenMv對(duì)標(biāo)記的定位信息，調(diào)用跟隨算法，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人跟隨標(biāo)記移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人行走。自主跟隨機(jī)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(jì)

機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源和主控制器。

1.2.1 視覺傳感器

為了實(shí)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(duì)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(jī)的一款開源機(jī)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(cè)、邊緣檢測(cè)、關(guān)鍵點(diǎn)提取和標(biāo)記識(shí)別，以及強(qiáng)大的圖像識(shí)別處理能力。

1.2.2 無線通信模塊

無線通信部分包括2個(gè)方面。一是系統(tǒng)與手機(jī)端APP之間的通信。采用無線WiFi模塊ESP8266，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端對(duì)系統(tǒng)的控制以及運(yùn)動(dòng)模式選擇的功能。ESP8266是一款低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)遙控模型下，遙控裝置對(duì)機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用MC33886全橋驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有輸出短路保護(hù)、欠壓關(guān)閉、故障狀況報(bào)告等功能，可確保機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 Fig.2 Motor drive circuitry

1.2.4 主控制器

自主跟隨機(jī)器人主控制器和遙控裝置的控制器均采用型號(hào)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(jī)器人控制器時(shí)，通過SPI接口獲取OpenMv視覺傳感器對(duì)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(dòng)ESP8266WiFi模塊，接收上位機(jī)的控制命令，PWM輸出控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。ATmega328作為遙控裝置主控時(shí)，模擬口采集電位計(jì)電壓值，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)而轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)量發(fā)送給機(jī)器人系統(tǒng)。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括手機(jī)端APP、遙控裝置程序、目標(biāo)識(shí)別與定位以及機(jī)器人主體程序等設(shè)計(jì)。

2.1 手機(jī)端APP和遙控裝置程序設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP和遙控裝置程序流程如圖3所示。手機(jī)端APP采用Processing軟件編寫，主要功能是控制機(jī)器人的啟動(dòng)以及運(yùn)行模式的選擇。由手機(jī)連接機(jī)器人發(fā)出的WiFi信號(hào)，通過用戶數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)向機(jī)器人主機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制。

圖3 手機(jī)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(jī)器人主體程序設(shè)計(jì)

自主跟隨機(jī)器人的主體程序首先對(duì)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(jī)模式，等待上位機(jī)的運(yùn)行指令，接收UDP發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷運(yùn)行模式。在自主跟隨模式時(shí)，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(duì)于攝像頭的三維坐標(biāo)。機(jī)器人解析坐標(biāo)信息，根據(jù)相應(yīng)的跟隨算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人跟隨目標(biāo)并保持相應(yīng)的距離，運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)等。而在遙控模式時(shí)，系統(tǒng)通過無線接收遙控裝置傳來的控制指令，手動(dòng)控制機(jī)器人的行走。機(jī)器人主程序流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人主程序流程圖 Fig.4 Flowchart of robot main program

2.3 目標(biāo)識(shí)別與定位程序設(shè)計(jì)

目標(biāo)識(shí)別定位是自主跟隨的基礎(chǔ)，通過在硬件平臺(tái)OpenMv上搭載的MicroPython解釋器，利用Python語言實(shí)現(xiàn)識(shí)別定位算法。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)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(shí)別定位算法，計(jì)算出目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息(X，Y，Z)，通過SPI傳送給運(yùn)動(dòng)部分的MCU。目標(biāo)識(shí)別定位程序流程如圖5所示。

圖5 目標(biāo)識(shí)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(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，搭建系統(tǒng)測(cè)試模型機(jī)，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。自主跟隨機(jī)器人系統(tǒng)配備載物倉(cāng)，提供給使用者裝載物品，跟隨用戶行走。

為實(shí)現(xiàn)跟隨效果，本文采用AprilTags作為機(jī)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一個(gè)免費(fèi)開源的視覺定位系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人機(jī)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(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人跟隨目標(biāo)行走。機(jī)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(shí)，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(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。左輪和右輪速度標(biāo)量值與坐標(biāo)對(duì)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(duì)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(yàn)證了系統(tǒng)的整體功能。自主跟隨機(jī)器人可在2種運(yùn)行模式下穩(wěn)定工作，與上位機(jī)的無線WiFi通信穩(wěn)定。在遙控模式下，對(duì)機(jī)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(duì)標(biāo)記的識(shí)別率較高，能夠穩(wěn)定跟隨標(biāo)記運(yùn)動(dòng)，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(jī)器視覺傳感器對(duì)標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別定位，調(diào)用差速跟隨算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人跟隨標(biāo)記行走。開發(fā)手機(jī)端上位機(jī)，并通過WiFi向機(jī)器人發(fā)送控制命令，選擇運(yùn)行模式。使用無線射頻模塊傳輸遙控裝置的手動(dòng)遙控命令，實(shí)現(xiàn)雙?？刂啤４罱?臺(tái)系統(tǒng)模型機(jī)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，系統(tǒng)無線通信穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)特定目標(biāo)的自主跟隨和手動(dòng)遙控跟隨，滿足預(yù)期要求。

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