一种基于STM32单片机的球型移动机器人的制作方法

本发明涉及智能机器人设备技术领域，尤其涉及一种基于stm32单片机的球型移动机器人。

背景技术：

球型移动机器人是上世纪90年代末出现的一种新的移动机器人机构形式。球型移动机器人的球形特征，赋予它全向移动的突出优点，能够零半径转向，空间利用率高。其具有类似不倒翁的特性，在静态和动态情况下都可以保持整个系统的稳定与平衡，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态，适合人为干预少的环境中作业。由于其内部机构都封装于球壳内部，密封性相较其他移动机器人来说好，防尘防震、结构紧凑，维护相对容易。相对其他移动机器人，其具有驱动单元较少、自由度较少和控制不是相对复杂的优点。相对于轮式和履带式移动机器人来说，其运动中球面与地面接触的面积比轮式和履带式要小的多，所以相同质量下对应接触面的摩擦阻力要小，对应能耗也要降低，效率也就提升。

由于具有以上独特优势，球型移动机器人作为全新的研究领域，具有良好的发展潜力、广泛的研究空间和应用前景。例如，在生活娱乐方面，其外形无棱角，可用于儿童教育和娱乐；工业应用方面，零半径转向和密封性好，可用于管道检测，水下实验等；国防以及空间探索方面，自我保护和环境适应能力强，可用于安全监测、任务执行等。

根据国内外的球型移动机器人的研究发现，以往的球型移动机器人把主要研究方向放在移动性能和机械构型上，而忽略了其内部相应传感器的配置和获取外界信息并进行交互的功能。目前被应用在生活中并且接近人类生活的功能性球型移动机器人相对较少。

现有国外球型机器人的发展现状，universityofsherbrooke的francoismichaud和sergecaron发明了一种球型玩具机器人，在机械结构上采用水平中轴电机驱动前后滚动，在垂直中轴下方设有垂转重心控制转动，其旨在于创造一种与孩子的交互功能，帮助自闭症的儿童。

现有国内球型机器人的发展现状，国内对于球型机器人的研究还处在初步阶段，然而已经有学者对其做了大量的分析研究，如北京航空航天大学的战强教授、西安电子科技大学的李团结教授以及北京邮电大学的孙汉旭教授等。其团队对球型机器人的研究已经从最初的机械结构设计，到中期的动力学建模与仿真，至后期控制策略研究和平台组建，研制出物理样机进行实验。完成了各种功能和需求，已经形成一个较为完善的球型机器人研究团对。例如：西安电子科技大学李团教授于2009年提出一种内驱动和外驱动相结合的球型机器人，其外驱动原理是主要来自于自然风能，风力推动球体产生移动的趋势，并兼具较好的弹性和自适应性。同时针对风力的不稳定性，内部驱动作为机器人运动的第二保证。哈尔滨工业大学于2010年提出一款微小型球型机器人，该机器人采用了重心调节和惯性力矩相结合的运动方式，提高了机器人的驱动效率和运动灵活性，并且机器人的尺寸缩小到直径50mm，质量80g，提高了机器人的隐蔽性，该机构的大小与一块硬币比较。

由上可知，球型机器人的驱动可分为两类：偏心力矩驱动和角动量驱动。现对两种驱动机制具体实现方法进行概述。1、偏心力矩驱动，偏心力矩驱动是指内部驱动单元的移动，将球体质量分布改变，产生的偏心力矩打破球体系统的平衡进而使球型机器人移动。2、角动量驱动，角动量驱动是当球型移动机器人内部转子高速旋转的时候，外部摩擦力矩相对较小，球壳由于角动量守恒原理反向旋转，通过改变其内部转子的速度和方向，可以实现其全向运动。

同时，运动控制技术一直是其研究的难点，也是其热点问题。为了给予其稳定的运动性能，国内外学者也再不断地进行实验，去验证不同控制技术应用在不同构型上的机器人是否能够符合其本身物理特性。下面将总结各个学者提出的不同控制理论：

1、yutakaj.kanayama提出直线路径跟踪方法--曲率控制方法，通过曲率从任意位置收敛期望的路径。

2、toshiakiotani提出基于运动学模型的反馈控制策略，基于lyapunov控制的离散反馈控制器，backstepping动力学模型的姿态控制器。

3、zekiy.bayraktaroglu提出反馈线性化模糊闭环控制器，利用拉格朗日方程推导在非完整约束条件下的高度非线性耦合运动方程，利用解耦动力学方法将其横向运动和纵向运动解耦，得到其状态空间模型。

4、北航汪磊等人提出模糊自适应控制方案，轨迹跟踪算法，着眼于位置和姿态同时收敛，实现了机器人与目标位置和姿态误差信号的实时调整。

5、erkankayacan提出自适应模糊神经网络控制器，考虑到滑膜变结构控制其非线性系统有较强的鲁棒性，提出一种分层滑膜控制策略。

6、f.k.zadeh提出线性二次型最优控制算法，通过拉格朗日方程法建立了动力学方程，将建立的动力学方程转化为状态空间的形式。

由以上分析可知，a.halme所设计的机器人，在转向上欠缺，只能进行前后移动。jalves的设计改善了在转向上的欠缺，但内部小车与球壳内壁之间的摩擦阻力不稳定，且小车容易倾翻，导致整体系统的不稳定性。且这两者都不具有视觉传感器的加持，并不具有一定的功能性。

技术实现要素：

基于以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够将视觉传感器安装到球壳内部，可以获取外部周围环境图像信息，通过图传模块，将实时图像无线传输到智能移动终端，并通过智能移动终端控制其移动，实现移动监控的基于stm32单片机的球型移动机器人。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于stm32单片机的球型移动机器人，包括上位机和下位机，所述上位机通过wifi模组与下位机无线连接，所述上位机为android移动终端，所述下位机为球型移动机器人，所述球型移动机器人包括球形外壳，所述球形外壳内上部设有用于保证整个系统稳定性的上双轮避震单元，所述上双轮避震单元下方设有用于调节图像传输角度的舵机云平台，所述舵机云平台上安装有用于采集图像信息的单目视觉相机；所述球形外壳内中部设有用于接收android移动终端发来的相应控制指令并进行处理的控制执行机构；所述球形外壳内底部设有用于控制机器人移动的双轮驱动单元和用于控制整个系统平衡的可调配重基台，且所述可调配重基台设于双轮驱动单元的下方。

可选的，所述控制执行机构包括单片机、场景化图传模块和电源模块，所述单目视觉相机与场景化图传模块电性连接，所述场景化图传模块与外部的android移动终端无线连接，所述场景化图传模块通过串口通信与单片机电性连接，所述单片机均分别与双轮驱动单元、舵机云平台和oled显示屏电性连接；所述单片机由电源模块供电，且所述电源模块通过降压稳压模块与场景化图传模块电性连接。

可选的，所述单片机采用stm32f103rct6芯片。

可选的，所述场景化图传模块采用rak5206场景化图传模块。

可选的，所述双轮驱动单元包括左右对称设置的左编码器电机和右编码器电机，所述左编码器电机通过联轴器与左球轮连接，所述右编码器电机通过联轴器与右球轮连接，所述左球轮和右球轮在同一水平轴线上。

可选的，所述左编码器电机和右编码器电机均采用霍尔编码器直流电机。

可选的，所述左球轮和右球轮均分别与球形外壳内壁完全接触，所述左球轮和右球轮上均套接有防滑橡胶套，所述左球轮和右球轮的大小一致，所述左球轮和右球轮的外直径均为32mm，内直径均为46mm，宽度均为10mm。

可选的，所述上双轮避震单元包括左右对称设置的左上避震球轮和右上避震球轮，所述左上避震球轮和右上避震球轮在同一水平轴线上，且所述左上避震球轮和左球轮在同一中轴竖线上，所述右上避震球轮和右球轮在同一中轴竖线上。

可选的，所述球形外壳的材料为透明有机塑料，且所述球形外壳的外径为250mm，厚度为2.5mm。

由上，本发明的基于stm32单片机的球型移动机器人采用android客户端作为控制端和显示端，通过wi-fi与机器人通信，将采集的视频图像实时传输至客户端，并通过客户端生成的操作指令对其进行控制；同时，该机器人使用集成32位stm芯片的单片机作为系统的控制中心，采用rak5206场景化图传模块，进行视频图像采集，通过wi-fi模组，接收客户端的操作指令，通过串口与控制中心进行通信，控制电机响应，实现相应动作。另外，该机器人实际应用测试结果表明，可支持本地的视频传输方式，可通过智能通讯设备完成视频传输及观看，并可无线操控实现相应动作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的基于stm32单片机的球型移动机器人的结构示意图；

图2为本发明的基于stm32单片机的球型移动机器人的方框原理图；

图3为本发明中上位机的流程示意图；

图4为本发明中下位机的流程示意图。

图中：1android移动终端、2球形外壳、3上双轮避震单元、3-1左上避震球轮、3-2右上避震球轮、4舵机云平台、5单目视觉相机、6控制执行机构、7双轮驱动单元、7-1左编码器电机、7-2右编码器电机、7-3联轴器、7-4左球轮、7-5右球轮、8可调配重基台、9单片机、10场景化图传模块、11电源模块、12oled显示屏、13降压稳压模块。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-图4所示，本发明的基于stm32单片机的球型移动机器人，包括上位机和下位机，所述上位机通过wifi模组与下位机无线连接，所述上位机为android移动终端1，所述下位机为球型移动机器人，所述球型移动机器人包括球形外壳2，所述球形外壳2内上部设有用于保证整个系统稳定性的上双轮避震单元3，所述上双轮避震单元3下方设有用于调节图像传输角度的舵机云平台4，所述舵机云平台4上安装有用于采集图像信息的单目视觉相机5；所述球形外壳2内中部设有用于接收android移动终端1发来的相应控制指令并进行处理的控制执行机构6；所述球形外壳2内底部设有用于控制机器人移动的双轮驱动单元7和用于控制整个系统平衡的可调配重基台8，且所述可调配重基台8设于双轮驱动单元7的下方。其中，双轮驱动单元和可调配重基台作为可移动质心，一直处于球体底端，控制整个系统的平衡；上双轮避震单元平衡由内球面在运动中各个方向带来的压力，减少内部机构与球壳内壁发生碰撞，保证系统稳定性；控制执行机构接收手机客户端发来的相应控制指令并发送至单片机，单片机控制左右编码器电机工作，控制舵机云平台的角度，同时oled显示屏上显示系统当前状态。

本实施例中，上述android移动终端，即上位机app客户端，主要实现视频图像显示和遥控控制等功能，通过androidstudio集成开发工具设计程序，智能终端通过wlan扫描到图传模块ap热点，进行连接。启动客户端，开始扫描连接本地设备，扫描到设备后将设备号显示在主界面，点击设备，进入登录界面，输入密码，点击登录，视频图像界面初始化，连接成功后在界面显示图像，点击遥控按键，对下位机球型移动机器人进行控制。

同时，下位机软件主要实现执行机构的控制功能，通过keil集成开发工具设计程序，系统硬件上电后进行初始化操作，设置串口工作方式、接收/发送控制位和状态标志位，中断，oled显示屏，图传模块等。初始化完成后与上位机客户端进行握手，并将左右编码器电机、控制方式等信息将在显示屏上显示，握手成功后图传模块将获取周围环境图像并无线传输至上位机客户端，并将接受到的数据通过串口发送至单片机，单片机对串口数据进行比对，比对为相应控制指令后，根据相应指令进行相应动作。下位机软件通过一个循环后，再次检测串口数据，做出响应。

具体的，所述控制执行机构6包括单片机9、场景化图传模块10和电源模块11，所述单目视觉相机5与场景化图传模块10电性连接，所述场景化图传模块10与外部的android移动终端1无线连接，所述场景化图传模块10通过串口通信与单片机9电性连接，所述单片机9均分别与双轮驱动单元7、舵机云平台4和oled显示屏12电性连接；所述单片机9由电源模块11供电，且所述电源模块11通过降压稳压模块13与场景化图传模块10电性连接。其中，所述单片机9采用stm32f103rct6芯片，stm32f103rct6是st公司开发的基于cortex-m3内核的基础型mcu，主频为72mhz。stm32f103rct6根据其命名规则，f1代表基础型系列，r代表64位引脚数目，c代表256kb的flash大小，t代表qfp封装，是最常用的封装，6代表温度等级为a：-40～85℃。所述场景化图传模块10采用rak5206场景化图传模块。其中，采用st公司生产的stm32f103rct6芯片作为中央处理器，与8位单片机相比，该类芯片具有较高的处理性能、较低的系统功耗、较大的内存空间、丰富的外设资源，完全能够满足本申请的设计的要求。在本实施例中，由单目视觉相机采集球体外部环境图像并无线传输至手机客户端，客户端则将相应控制指令无线传输至图传模块，通过串口通信发送至单片机，根据相应指令控制执行机构进行相应动作。

具体的，本发明的双轮驱动单元7包括左右对称设置的左编码器电机7-1和右编码器电机7-2，所述左编码器电机7-1通过联轴器7-3与左球轮7-4连接，所述右编码器电机7-2通过联轴器7-3与右球轮7-5连接，所述左球轮7-4和右球轮7-5在同一水平轴线上；由于左编码器电机7-1和右编码器电机7-2的重量，辅以放置在最底层可调配重基台，致使双轮驱动结构作为可移动质心，一直处于球体底端，控制整个系统的平衡。在本实施例中，通过左编码器电机7-1和右编码器电机7-2为左球轮7-4和右球轮7-5提供转动动力，驱动球轮沿球壳下内表面滚动，通过反向摩擦力，使得球壳反向滚动，改变驱动机构在球体内的质心位置，产生的偏心力矩驱使球型移动机器人滚动。另外，在实际应用时，根据球体大小和系统整体机构重量大小确定电机的负载能力范围；根据机器人速度要求确定电机转速，该左编码器电机7-1和右编码器电机7-2均采用霍尔编码器直流电机，其体积小，响应速度快，可适合应用在高转速场合。

本发明的左球轮7-4和右球轮7-5均分别与球形外壳2内壁完全接触，所述，所述左球轮7-4和右球轮7-5的大小一致；在本实施例中，左右球轮是实现球型移动机器人全向运动的关键，由于上述采用的是将左右球轮与左右球轮编码器电机作为可动质心放置球体底部两侧同一水平线，在这种布置方案下，不用将配重被动的分为两部分，为加大配重部分在整机中所占的比例提供了保证。球轮被放置在球体的底部同一平面轴线两侧与内壁完全接触，所以要求两侧球轮大小一致且对称，并具有一定的摩擦阻力，球轮外侧形状应与同一高度处内壁完全符合，达到最大的接触面积，得到最大的摩擦阻力，必须具有承载内部所有构建的能力。结合下述所选球壳参数，确定所选球轮参数如下：左球轮7-4和右球轮7-5的外直径均为32mm，内直径均为46mm，宽度均为10mm，且左球轮7-4和右球轮7-5上均套接有防滑橡胶套。

本发明的上双轮避震单元3包括左右对称设置的左上避震球轮3-1和右上避震球轮3-2，在本实施例中，为了减少内部机构与球壳内壁发生碰撞，产生阻力，导致系统失稳，为了保证系统稳定性，从而设计该上双轮避震单元，实际应用时，该上避震单元由五个弹簧避震器组成，平衡由内球面在运动中各个方向带来的压力。而采用左上避震球轮3-1和右上避震球轮3-2在同一水平轴线上，且所述左上避震球轮3-1和左球轮7-4在同一中轴竖线上，所述右上避震球轮3-2和右球轮7-5在同一中轴竖线上，这样保证了整个内部机构在静止或运动中始终保持在球体中轴竖线上，使驱动球轮和上避震球轮同步滚动。

具体的，所述球形外壳2的材料为透明有机塑料，且所述球形外壳2的外径为250mm，厚度为2.5mm，质量约为0.6kg；这样设计，可直观地观察机器人在运动时内部机构的姿态，能够透过无线电波的材料，进而实现对内部执行机构的控制；且球形外壳较坚硬、具有韧性；同时该球形外壳具有一定的摩擦系数。

综上所述，本发明的基于stm32单片机的球型移动机器人，能够利用视觉传感器进行外界环境的获取，同时实时上传至客户端进行回显，使用手机等智能终端提供便利性，能够全向移动，零半径转弯，多种连接方式，实现ap直连，本地路由器连接，远程p2p连接，球形外壳自我保护性强等优点。同时，采用android客户端进行控制和视频实时查看，能够在陪伴家人的同时，进行实时监控。球形外观无棱角，适合作为小孩子、宠物的陪伴玩具，并能实时查看小孩子在家里的动向，并可控制小球滚动和小孩子互动。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。