摘 要：隨著計算機和機器人技術的不斷發(fā)展，移動機器人呈現(xiàn)出廣泛的應用前景。作為移動機器人的一種，履帶式移動機器人可以在危險惡劣的環(huán)境中開展工作。研究了一種基于ESP32開發(fā)板的智能避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了多個傳感器和執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障、智能顯示障礙物位置信息以及播放音樂等功能。通過詳細的硬件設計、軟件開發(fā)和控制系統(tǒng)分析，對履帶式移動機器人進行了系統(tǒng)性的研究。實驗結(jié)果表明，該機器人具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)履帶式移動機器人的設定功能。研究結(jié)果對履帶式移動機器人的系統(tǒng)設計提供了新的思路和方法，為進一步拓展移動機器人在救援及其他相關領域的應用奠定了基礎。

關 鍵 詞：履帶式移動機器人; 自主避障; 智能顯示; ESP32關 鍵 詞：分子篩; 鈦硅沸石; 無溶劑法; 硅鈦摩爾比

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2024.03.004

Design of intelligent tracked mobile robot based on ESP32

CUI Song^1，2， LYU Yan^1，2， CHEN Lanfeng^1，2ZHANG Haohua¹， CHAI Xin¹， CHENG Qian′ge¹， HU Xu¹， YU Chuang²， MA Shijun³

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Network Information Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 3. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：With the development of computer and robot technology， mobile robot has a wide application prospect. As a kind of mobile robot， tracked mobile robot plays an important role in dangerous and harsh environment. In this paper， an intelligent obstacle avoidance system based on ESP32 development board is studied. The system integrates several sensors and actuators， and can realize autonomous obstacle avoidance， intelligent display of obstacle position information and intelligent voice. Through the detailed hardware design， software development and control system analysis， this thesis has carried on the systematic research to the tracked mobile robot. The experimental results show that the robot has high stability and reliability， and can realize the function of tracked mobile robot as expected. The results of this paper provide a new idea and method for the later system design of tracked mobile robot， and lay a foundation for the further application of mobile robot in rescue and other fields.

Key words：tracked mobile robot; autonomous obstacle avoidance; intelligent display; ESP32

隨著世界信息化技術的不斷發(fā)展，人工智能也在取得突破，并受到人們越來越多的關注，其中機器人是研究者重視和研究的熱點之一^［1］。在這種時代背景下，移動機器人系統(tǒng)應運而生。它可以幫助人們完成許多事情，尤其是在一些復雜和危險的路況環(huán)境中能夠發(fā)揮重要的作用。地面移動機器人按照運動方式可以分為腿式、輪式、履帶式、步行式和復合式五種^［2］。其中由于履帶式移動機器人能夠較好地適應地面的變化，而呈現(xiàn)廣闊的應用前景。在本文中，將履帶式移動機器人與ESP32開發(fā)板相結(jié)合，通過系統(tǒng)的硬件設計和軟件開發(fā)，制作出一款能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障以及顯示障礙物位置信息等功能的智能機器人。

1 智能避障的關鍵技術和理論

1.1 障礙物判定方法

移動機器人避障包含2個方面的內(nèi)容：一是對障礙物的感知與識別；二是設計完成躲避障礙物的路徑規(guī)劃算法^［3］。對于移動機器人的獨立自主作業(yè)而言，快速有效地判斷障礙物是非常重要的環(huán)節(jié)。常見的判定障礙物的方法有：

1）基于視覺的障礙物檢測方法一般是對圖像中的特征點或者障礙物的邊緣進行檢測^［4］。常見的視覺傳感器有攝像頭、紅外傳感器等。

2）基于深度傳感器的障礙物判定方法是通過使用紅外線、激光或其他技術，利用物體反射、散射或吸收傳感器發(fā)射出的信號來測量物體與傳感器之間的距離。常見的深度傳感器有結(jié)構(gòu)光相機^［5］、激光雷達等。

3）基于多源異構(gòu)傳感器的障礙物判定方法指的是由不同種類的傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。機器人可以通過多個傳感器的配合使用來從不同的方位、層面獲取周邊復雜的環(huán)境信息從而做出正確的決策^［6］。

1.2 避障算法

1）線性避障算法

距離傳感器的線性避障算法是一種基于距離傳感器數(shù)據(jù)的簡單且高效的避障算法。它的原理是根據(jù)距離傳感器測量到的障礙物距離，通過調(diào)整機器人的移動速度和方向來實現(xiàn)避障。

2）路徑規(guī)劃算法

基于里程計的路徑規(guī)劃算法是通過不斷更新車輛位置和方向來實現(xiàn)路徑規(guī)劃，通過不斷地測量車輛的移動信息，并結(jié)合預定的路徑規(guī)劃算法，可以使車輛按照預定的路徑前往目標位置。但是這種算法需要實時更新路徑的應用場景，否則就會導致測量存在誤差。

3）啟發(fā)式算法

基于反向感知的啟發(fā)式算法是一種基于避障模型的算法，它的基本思路是利用機器人當前的環(huán)境信息，來判斷下一步最佳行動，從而達到避障的目的。

1.3 障礙物信息成像研究

1）障礙物動靜態(tài)判斷

障礙物動靜態(tài)判斷^［7］是指通過傳感器和算法判斷障礙物是否處于運動或靜止狀態(tài)的方法。常用的障礙物動靜態(tài)判斷方法有：

（1）運動檢測方法：通過比較連續(xù)幀之間的差異來判斷障礙物是否在運動。常見的運動檢測方法包括基于光流場的移動監(jiān)測法^［8］、背景建模法和物體跟蹤法。

（2）點云分析方法：通過分析點云數(shù)據(jù)中點的分布和運動特征，可以判斷障礙物的運動狀態(tài)。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡方法：使用深度學習模型來學習和判斷障礙物的運動狀態(tài)。通過提供帶有標簽的動態(tài)和靜態(tài)數(shù)據(jù)，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡模型來進行分類。這些模型可以學習運動特征、紋理特征和形狀特征，從而判斷障礙物的運動狀態(tài)。

（4）特征提取方法：特征提取方法通過提取障礙物的特征來判斷其運動狀態(tài)。常見的方法有基于障礙物色彩信息的分割檢測法^［9］，其中色彩信息包括物體的顏色、紋理、輪廓、邊緣等。

2）障礙物位置信息成像技術

障礙物位置信息成像技術是指通過傳感器和算法來獲取并呈現(xiàn)障礙物在空間中的位置和位置關系的技術。這些技術可以用于自動駕駛、導航、環(huán)境監(jiān)測等應用中，以幫助機器或系統(tǒng)對障礙物進行感知和決策。常用的障礙物位置信息成像技術主要有：激光雷達技術、攝像機視覺技術、超聲波傳感器技術。根據(jù)具體應用需求和環(huán)境條件，可以選擇合適的技術和傳感器。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

本研究采用模塊化的思想，主要包括硬件連接（圖1）和軟件設計2個部分。系統(tǒng)以ESP32為主控芯片，通過搭載其他傳感器和執(zhí)行器來實現(xiàn)自主避障，智能顯示障礙物位置信息以及音樂播放和計時器功能。

2.2 系統(tǒng)硬件選擇

1）掌控板

本研究所選擇的主控板是掌控板（圖2），它采用ESP32^［10］作為主控芯片，支持Wi-Fi和藍牙雙模通信，掌控板上同時集成了1.3英寸OLED顯示屏、RGB燈、麥克風、光線傳感器、蜂鳴器、按鍵開關、觸摸開關等，支持圖形化及MicroPython代碼編程。配合使用的掌控擴展板（圖3）是一款可以擴展功能的外圍硬件，它提供了大量的接口，包括數(shù)字輸入輸出、模擬輸入輸出、串口、I2C總線、SPI總線等，更方便開發(fā)者在掌控板上進行各式各樣的項目開發(fā)。

2）超聲波測距傳感器

本研究采用的是HC-SR04超聲波測距傳感器（圖4）。這是一種便捷、節(jié)能、低成本的距離測量裝置，它可以計算并精確測量物體與該傳感器之間的距離。如超聲波測距模塊原理圖（圖5）所示，超聲波測距模塊被觸發(fā)以后發(fā)射出電信號，通過換能器將電信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號，當檢測到前方有物體阻擋時，返回超聲波信號，再通過換能器將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號^［11］，從而測得物體與傳感器之間的距離。

3）JQ8400-FL-10P聲音傳感器與腔體小喇叭

JQ8400-FL-10P聲音傳感器（圖6），可以實現(xiàn)聲音的錄制和播放功能，它采用硬解碼的方式，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)，最大的特點在于可以靈活地更換音頻內(nèi)容，使用方法簡單便捷。腔體小喇叭（圖7）與語音模塊配合，可以實現(xiàn)音樂播放功能。

3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

本研究采用Mind+開發(fā)環(huán)境進行編程設計。

3.1 軟件設計

1）智能避障功能模塊

智能避障功能模塊使用超聲波測距傳感器，通過測距，實現(xiàn)機器人自主感知周圍環(huán)境中的障礙物，自主決策并實現(xiàn)避障功能^［12］。

在設計程序之前，可以將超聲波測距傳感器前方分為3個區(qū)域，分別為左側(cè)（區(qū)間三）、前方（區(qū)間二）和右側(cè)（區(qū)間一），然后進行路徑規(guī)劃：當超聲波掃描過后，如果前方無障礙，則直行；如果前方有障礙，先判斷右側(cè)，無障礙，則轉(zhuǎn)右后直行；如果前方和右側(cè)都有障礙，再判斷左側(cè)，無障礙，則轉(zhuǎn)左后直行；如果左、中、右都有障礙，則調(diào)頭后直行。流程圖如圖8所示。以上步驟持續(xù)進行，實時檢測周圍環(huán)境，及時采取避障控制。

2）障礙物信息顯示功能模塊

本模塊是在智能避障程序的基礎上加以改進，將障礙物的位置信息顯示出來。超聲波測距傳感器的探測距離一般為5～300cm，但在程序中將超聲波探測的范圍設置為60cm，并依次進行距離劃分，分別為0～20cm、20～40cm、40～60cm，通過舵機的旋轉(zhuǎn)角度A和超聲波探測距離R即可求得障礙物的坐標信息，并在屏幕上顯示出來。智能顯示部分代碼如程序1：

void DF_LeiDaWangTu（）{

display.drawCircle（64，63，63）;

display.drawCircle（64，63，42）;

display.drawCircle（64，63，21）;

mind_n_A = 0;

for（int index = 0;index lt; 7;index++）{

display.line（64，63，（64 -（63 *（cos（（float）mind_n_A / 180 * PI）））），（63 -（63 *（sin（（float）mind_n_A / 180 * PI）））））;

mind_n_A += 30;

yield（）;}}

3）音樂播放模塊

本系統(tǒng)的音樂播放功能使用JQ8400-FL-10P聲音傳感器搭載腔體小喇叭，通過物理按鈕來實現(xiàn)音樂的播放、歌曲切換、暫停/播放控制等功能。在播放音樂的過程中，還可以通過OLED顯示屏顯示當前播放音樂的相關信息，如歌曲名稱、歌手等。音樂部分代碼如程序2：

void pin4TouchCallback（）{

display.fillScreen（0）;

display.setCursorLine（1）;

display.printLine（\"上一首 音樂 下一首\"）;

serialMp3.begin（amp;Serial1，P15，P16）;

serialMp3.play（）;

serialMp3.volume（50）;

serialMp3.playList（1）;

while（1）{

if（（touchPadP.isTouched（）））{

serialMp3.prev（）;}

if（（touchPadY.isTouched（）））{

serialMp3.next（）;}

if（（touchPadT.isTouched（）））{

serialMp3.end（）; }

yield（）; }}

4）計時器功能模塊

本系統(tǒng)的計時器功能是指通過設置倒計時的分鐘數(shù)，從該時間開始進行倒計時，并在倒計時結(jié)束時發(fā)出提醒。在這一時間段內(nèi)，OLED屏幕會實時顯示經(jīng)過的時間，幫助用戶記錄時間。計時器部分代碼如程序3：

void onButtonAPressed（）{

rgb.write（-1，0x000000）;

taskFree（loop1）;

if（（mind_n_ShiJianFengt;58））{

mind_n_ShiJianFen = 58;}

mind_n_ShiJianFen += 1;

display.setCursorLine（1）;

display.printLine（\"計時器\"）;

display.setCursorLine（2）;

display.printLine（（String（\"\"）+ String（（String（（String（（String（mind_n_ShiJianFen）.toInt（）））+ String（\"分\"）））+ String（（String（（String（mind_n_ShiJianMiao）.toInt（）））+ String（\"秒\"）））））））;

taskStart（loop1）;}

3.2 系統(tǒng)調(diào)試與分析

將程序加載到ESP32主控芯片，然后經(jīng)過多次測試，以保證各個模塊都能夠正常工作。在實驗驗證中，可以觀察到履帶式移動機器人在避障過程中，能夠?qū)崟r顯示出障礙物的位置信息，同時能夠很好地完成計時器以及音樂功能，如圖9所示。實驗表明，設計的履帶式機器人能夠穩(wěn)定運行，人機交互迅速，達到了設計效果。

4 結(jié) 語

本項目利用障礙物判定技術和信息成像技術，將ESP32開發(fā)板與履帶式移動機器人相結(jié)合，實現(xiàn)了智能避障、顯示障礙物位置信息、計時以及播放音樂等功能。在測試過程中，整個系統(tǒng)功能穩(wěn)定，避障準確。在之后的設計中，可以考慮在不同的環(huán)境條件下，通過改變小車的形狀和組裝結(jié)構(gòu)，使其可以適應不同的環(huán)境狀況，以完成更有實際操作價值的功能。

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【責任編輯：封文江】