研究生电子设计大赛报告.docx

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研究生电子设计大赛报告

第十一届中国研究生电子设计竞赛

技术论文

论文题目：

基于STM32F405和WiFi控制的智能楼宇安防机器人

IntelligentbuildingsecurityrobotbasedonSTM32F405andWiFicontrol

参赛单位：

哈尔滨理工大学

队伍名称：

理工ROOT战队

指导老师：

陈才

参赛队员：

谢瑞

王航

张宇霆

完成时间：

2016年6月10日

基于STM32F405和WiFi控制的智能楼宇安防机器人

摘要

目前，机器人的用途已经渗入到社会生活的方方面面，在工业生产中，机器人可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运以及设备检测等任务。

而在人们的日常生活中，智能机器人也发挥了越来越重要的作用。

因此，本文设计了一款底盘智能车加载智能云平台开发的楼宇安防机器人。

本文设计了一款基于STM32F405作为主控的移动底盘，搭载智能云平台所设计的智能楼宇安防机器人。

其运动底盘采用四轮驱动的麦克纳姆轮，实现全方位移动方式的零度转角，适合机器人的空间狭小的工作环境。

底盘移动平台的控制系统主要包括：

电源模块、微控制器模块、电机驱动模块、通讯控制模块等。

在具体的设计过程中，各个模块硬件以及软件部分尽量做到相对独立，为日后的功能扩展和系统升级创造条件。

通过选择无线遥控方式，可以更加方便灵活的对机器人进行操控。

对于传感器所采集的信息，以及安防机器人的各项信息可以通过无线网络同步到所开发的手机APP。

Wifi服务系统由主控部分、传感器部分和显示部分构成，主控部分采用STM32103c8t6+ESP8266构成，传感器部分有3色灯、夏普PM2.5粉尘传感器、雨量传感器、温湿度传感器DHT11和TCRT5000光电传感器构成。

通过主控把采集到的传感器信息上传到机智云的云端，然后云端将信息发送到楼宇内人员的手机端，供保安和楼宇内工作人员查询信息。

同时使用串口屏显示传感器的信息，并且给来找人和咨询事情的人提供查询信息。

通触摸屏设计的多级式菜单设定来客需求信息，并直观的显示主控系统中采样到的相关数据，增进了人机交互的灵活性。

智能机器人整体实现了周围环境信息采集以及人员查找的功能。

关键词：

xxx；xxx；xxx；xxx

IntelligentbuildingsecurityrobotbasedonSTM32F405andWiFicontrol

Abstract

Atpresent,theuseofrobotshasinfiltratedintoallaspectsofsociallife,inindustrialproduction,robotcanreplacehumantocompletetheharshenvironmentofcargohandlingandequipmenttestingandothertasks.Inpeople'sdailylife,intelligentrobotsalsoplayamoreandmoreimportantrole.Therefore,thispaperdesignedachassisintelligentvehicleloadingintelligentcloudplatformdevelopmentofbuildingsecurityrobot.

第1章系统可行性分析

1.1作品难点与创新

1.1.1作品难点

目前，机器人的用途已经渗入到社会生活的方方面面，在工业生产中，机器人可以代替人类完成恶劣环境下的货物搬运以及设备检测等任务。

而在人们的日常生活中，智能机器人也发挥了越来越重要的作用。

因此，本文设计了一款底盘智能车加载智能云平台开发的楼宇咨询服务型机器人。

而本文设计的难点有：

1.作为移动平台的智能车车体构件的设计加工与选择。

车体构件的选择需要本着经济、可靠、美观等各方面因素，而由于某些特殊要求，车体构件并不都是标准配件，所以在尽量选择标准构件的同时，对于一些非标准构件，需要掌握一些独自设计加工的基本能力，这就对队员的机械设计与加工提出了一定的要求。

2.CAN总线实现四个底盘电机的协调驱动控制。

想要智能车达到理想的控制要求，必须要同时控制四个驱动电机来协调同步工作，所以对于各个电机运行状态的实时性反馈以及准确性控制有着较高的要求，而这众多的因素都决定了智能车采用基于CAN总线控制电机的方式是一种理想的选择。

3.智能云平台通过各个传感器搜集数据并实时发送到手机APP。

智能云作为传感器和手机APP端的互联平台，使用板载的温湿传感器，外接的PM2.5粉尘传感器和雨量传感器，将这些信息通过Wifi传递到手机端口，而这部分的手机与信息手机平台的通讯以及手机APP的开发要求队员有较强的软件开发能力。

4.移动平台人机交互界面的设计与开发。

人机交互界面可以保证楼宇安防机器人能够实现信息应答的功能，外来人员可以通过此平台方便确认某人是否在此楼内。

而人机交互界面的选择是触摸屏，对于触摸屏的开发也是本文的一个难点。

1.1.2作品创新

本文研究的是一款基于STM32F405作为主控的移动底盘，搭载智能云平台所设计的智能楼宇咨询服务型机器人。

通过移动平台搭载服务系统，可以使设计应用范围更加灵活。

而考量本文系统的使用环境以及使用条件，本文中系统的底盘选择轮式运行方式，为了实现全方位移动方式的零度转角，本文底盘采用四轮驱动的麦克纳姆轮。

采用麦克纳姆轮的优点是可以实现底盘前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

由此底盘非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的楼宇、船舱以及机舱等环境。

对于系统的控制方式，本文基于实际应用环境，选择无线遥控方式，可以更加方便灵活的对机器人进行操控，不需要人为的活动就可以实现对来访者进行盘查或者方便来访者获知信息。

对于可疑人员有一定的报警功能，增加了系统的可靠性。

对于传感器所采集的信息，以及安防机器人的各项信息可以通过无线网络同步到所开发的手机APP，方便相关负责人员进行查看，不必时刻需要特定进行跟踪，节约人力成本。

1.2方案论证与设计

在整个系统的设计中，底盘移动平台的的控制系统最为重要，它是整个系统稳定运行的核心。

控制系统的水平高低直接关系到智能化平台的智能化程度。

控制系统的设计策略也决定了整个设计系统的功能特点、使用范围以及其可扩展性。

根据对整个检测系统的功能需求，底盘移动平台的控制系统主要包括：

电源模块、微控制器模块、电机驱动模块、通讯控制模块等。

系统的总体框图如图1-3所示。

在具体的设计过程中，各个模块硬件以及软件部分尽量做到相对独立，为日后的功能扩展和系统升级创造条件。

而控制系统中的各个模块的功能如下：

电源模块负责整个控制系统的供电，包括驱动电机所需的24V和12V电源，主控制器、各个传感器以及专用芯片所需的5V和3.3V电源；电机驱动模块主要负责底盘所用电机的驱动，包括驱动轮电机以及云台电机的驱动，所采用方式是主控器输出的PWM和专用电机驱动芯片配合使用，实现底盘的全方位移动以及云台的转动调节；通讯控制模块主要负责远程手动遥控平台的运行方式以及移动轨迹，同时及时反馈平台的各项性能指标。

图1-3移动平台控制系统框图

第2章硬件系统设计

2.1车体结构设计

移动底盘的运行结构有多种，目前常用的有轮式、履带式、腿式以及上述几种结构的结合。

轮式以及履带式底盘主要适用于地理环境较为平坦、少有坑洼的地面。

具有控制方式简单、运行速度快、运行平稳以及噪音小等优点。

而腿式步行式的底盘适用的地理环境就较为复杂多样，但是由于控制算法复杂，对机械结构有着较高的要求，并且移动速度较为缓慢，目前的实际应用还不是特别广泛。

综合考量本文系统的使用环境以及使用条件，本文中系统的底盘选择轮式运行方式，为了实现全方位移动方式的零度转角，本文底盘采用四轮驱动的麦克纳姆轮如图2-1所示。

采用麦克纳姆轮的优点是可以实现底盘前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

由此底盘非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的楼宇、船舱以及机舱等环境。

图2-1麦克纳姆轮

麦克纳姆轮设计车轮旋转时成45度排列的自由滚子与地面接触，地面会给予车轮与转轴夹45度的摩擦力，此摩擦力可分为X分量与Y分量，籍由车轮的正反转或停止，改变XY分量力的方向，可以调整底盘做各种方式的移动。

而单独的麦克纳姆轮无法实现全方位移动，需要至少四个才能组成全方位移动平台，本文所采用的四个麦克纳姆轮全方位移动平台如图2-2所示，图中车轮斜线表示车轮轮缘与地面接触滚子的偏置角度。

图2-2底盘车轮配置图

2.2底盘控制系统设计

在整个系统的设计中，底盘移动平台的的控制系统最为重要，它是整个系统稳定运行的核心。

控制系统的水平高低直接关系到智能化平台的智能化程度。

控制系统的设计策略也决定了整个设计系统的功能特点、使用范围以及其可扩展性。

根据对整个检测系统的功能需求，底盘移动平台的控制系统主要包括：

电源模块、微控制器模块、电机驱动模块、通讯控制模块等。

系统的总体框图如图2-3所示。

在具体的设计过程中，各个模块硬件以及软件部分尽量做到相对独立，为日后的功能扩展和系统升级创造条件。

而控制系统中的各个模块的功能如下：

电源模块负责整个控制系统的供电，包括驱动电机所需的24V和12V电源，主控制器、各个传感器以及专用芯片所需的5V和3.3V电源；电机驱动模块主要负责底盘所用电机的驱动，包括驱动轮电机以及云台电机的驱动，所采用方式是主控器输出的PWM和专用电机驱动芯片配合使用，实现底盘的全方位移动以及云台的转动调节；通讯控制模块主要负责远程手动遥控平台的运行方式以及移动轨迹，同时及时反馈平台的各项性能指标。

图2-3移动平台控制系统框图

2.2.1主控单元

本系统选用STM32F405RGT6芯片作为底盘移动平台的中央控制器，完成传感器信息收集、电机控制、外部通信扩展等任务。

STM32F405RGT6是ST公司推出的以高性能的ARMCortex-M3内核的32位RISC的内核的芯片。

工作最高频率可达84MHz，能实现高速运算。

处理器具有3种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，可根据系统设计要求对其进行合理的优化。

工作电压可以在2.0-3.3V之间，在3.3V的供电电压下，其典型的小号电流仅为1.4µA。

2.2.2电机驱动模块

2.2.2.1底盘驱动电机的选择

本设计中为了保证全方位移动方式的零度转角，采用四轮单独驱动，可以灵活调节任意一个麦克纳姆轮的运行方式，从而可以灵活控制移动平台的任意角度位移。

移动平台的驱动电机有步进电机和直流电机两种。

本设计中选用直流电机作为底盘移动平台的驱动电机，直流电机具有优良的速度控制性能，具体来说，它有以下几点优点：

具有较大的转矩，从而能够克服传动装置的摩擦转矩和负载转矩；具有较快的响应能力，可以适应复杂的速度变化和控制信号的变换；电机的负载特性硬，有较大的过载能力，确保运行速度不受负载冲击的影响，增加系统的可靠性；直流电机空载力矩大，在控制系统发出停转的同时可以立即响应，并且可以产生相当大的力矩阻止移动平台由于惯性继续移动；直流电机相对其他电机来说运动起来平稳，而且噪音小。

2.2.2.2电机控制方式

直流电机的转速控制方法可以分为两类：

调节励磁磁通的励磁控制方式和调节电枢电压的电枢控制方法。

而由于励磁控制方法在低速模式时磁极极易饱和，所以调速范围有限，而在高速模式下，由于经常换向，换向火花较大，造成控制时动态响应较差。

本文采用的电机驱动方式是电枢控制方式，通过输出PWM脉宽调制PWM电平来控制电动机的电枢电压，实现调速功能。

由于一般的微控制器都可以输出PWM脉冲电平，所以容易在微控制器上实现此种