配送機(jī)器人聲音導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6117配送機(jī)器人聲音導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 I174451聲源的硬件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) I83931.1聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) I189821.2麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì) II9697（1）麥克風(fēng)數(shù)量 II2600（2）麥克風(fēng)間距 II14877（3）麥克風(fēng)參數(shù)與性能 II26401.3慣性導(dǎo)航模塊 III22072（1）JY901B模塊實(shí)物 III26347（2）JY901B模塊參數(shù) III65911.4單片機(jī)電路設(shè)計(jì) IV194291.5LC12S數(shù)據(jù)傳輸模塊 V105611.6液晶顯示電路設(shè)計(jì) VI314132機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型建立 VII150822.1坐標(biāo)系的建立 VII186982.2驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與輪式全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 VII115492.2.1驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 VII95952.2.2輪式全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 VIII78862.2.3移動(dòng)性能分析和討論 X1聲源的硬件檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件模塊以慣性導(dǎo)航模塊為主、麥克風(fēng)陣列信號(hào)采集模塊，處理單元STM32、所述無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、OLED顯示模塊以及Arduino核心控制模塊等6個(gè)部分。首先，該系統(tǒng)通過自行設(shè)計(jì)的麥克風(fēng)陣列對(duì)聲源產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行收集，聲音信號(hào)經(jīng)放大，A/D轉(zhuǎn)換之后，由無線傳輸模塊LC12S將其發(fā)送至STM32進(jìn)行處理，STM32與Arduinomega2560處理器進(jìn)行串口通信，結(jié)合慣性導(dǎo)航模塊JY901B獲取的位移數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了統(tǒng)一計(jì)算，得到了最終成果，最后，在OLED中顯示聲源二維坐標(biāo)方位。以慣性模塊為核心的機(jī)器人聲源定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1.1中所示：圖1.1系統(tǒng)整體方案圖1.2麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)以麥克風(fēng)陣列為核心，搭建了機(jī)器人聽覺系統(tǒng)，完成了聲源定位功能。麥克風(fēng)陣列獲取聲音信號(hào)是該設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是否能準(zhǔn)確地獲取聲音信號(hào)，會(huì)直接關(guān)系到后續(xù)定位效果。（1）麥克風(fēng)數(shù)量麥克風(fēng)陣列內(nèi)麥克風(fēng)個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能具有決定性影響，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，既考慮了系統(tǒng)需要，還必須與成本相結(jié)合、實(shí)現(xiàn)難易程度及其他因素。如果麥克風(fēng)的數(shù)目較小，所收集的資料越少，造成系統(tǒng)精確度的不足；如果麥克風(fēng)太多，再提高系統(tǒng)運(yùn)算量，達(dá)到的代價(jià)太高。本論文基于對(duì)陣列信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，選取三個(gè)駐極體麥克風(fēng)，分別設(shè)置于正方形三個(gè)頂點(diǎn)處，負(fù)責(zé)聲音信號(hào)的收集，在滿足需要的情況下，系統(tǒng)實(shí)施的費(fèi)用并不高、運(yùn)算量較小時(shí)，盡可能地收集比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。（2）麥克風(fēng)間距該系統(tǒng)聲源定位功能以六足移動(dòng)機(jī)器人為原型，麥克風(fēng)陣列需安裝到移動(dòng)機(jī)器人，而且移動(dòng)機(jī)器人本身體積也很小，所以麥克風(fēng)陣列也要設(shè)計(jì)得比較小巧。經(jīng)實(shí)際測(cè)定，最后將麥克風(fēng)陣列的間距設(shè)置為50厘米。（3）麥克風(fēng)參數(shù)與性能該系統(tǒng)選擇了駐極體麥克風(fēng)構(gòu)成陣列，駐極體麥克風(fēng)的普通工作電壓是3V，工作電流在0.1~1mA，這種駐極體麥克風(fēng)的接收頻率在100Hz到10KHz之間，最大采集范圍可達(dá)到5米，固有噪聲較低[39]。該麥克風(fēng)模塊具有靈敏度高的特點(diǎn)，內(nèi)置放大電路增益可調(diào)節(jié)，模塊有AO（模擬量輸出）和DO（數(shù)字量輸出）2個(gè)輸出，感應(yīng)聲音強(qiáng)度可由50K電位器來調(diào)整（逆時(shí)針加強(qiáng)，順時(shí)針削弱）它的AD轉(zhuǎn)換功能可將聲強(qiáng)和電壓轉(zhuǎn)換，它的電路圖見圖1.2：圖1.2麥克風(fēng)模塊電路圖1.3慣性導(dǎo)航模塊（1）JY901B模塊實(shí)物JY901B模塊，X、Y和Z三個(gè)坐標(biāo)軸滿足右手定理且Z軸是垂直向外。JY901B模塊的引腳說明如表1.1所示：名稱功能VCC模塊電源，1.3V或5V輸入RX串行數(shù)據(jù)輸入，TTL電平TX穿行數(shù)據(jù)輸出，TTL電平GND地線SCLIIC時(shí)鐘線SDAIIC數(shù)據(jù)線D0擴(kuò)展端口0D1擴(kuò)展端口1D2擴(kuò)展端口2D3擴(kuò)展端口3（2）JY901B模塊參數(shù)該系統(tǒng)選擇了高精度慣性導(dǎo)航模塊JY901B來采集機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度，角速度等數(shù)據(jù)，模塊尺寸較小，易于與機(jī)器人平臺(tái)固定連接，并在模塊內(nèi)使用姿態(tài)解算及動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法進(jìn)行求解，采集數(shù)據(jù)的精度可達(dá)0.01°已達(dá)到專業(yè)器件級(jí)別，JY901B模塊參數(shù)見表1.2：參數(shù)說明電壓3V~6V電流<40mA體積15.24mmX15.24mmX2mm測(cè)量維度加速度：3維，角速度：3維，磁場(chǎng)：3維，角度：3維，氣壓：1維量程加速度：±16g，角速度：±2000°/s分辨率加速度：6.1e-5g，角速度：7.6e-3°/s。穩(wěn)定性加速度：0.01g，角速度0.05°/s。數(shù)據(jù)輸出頻率0.1Hz~200Hz數(shù)據(jù)接口串口（TTL電平，波特率支持2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800、921600），IIC（最大支持高速IIC速率400K）1.4單片機(jī)電路設(shè)計(jì)STM32是從意法半導(dǎo)體公司引進(jìn)的一種高性能微處理器，在這些處理器中，以ARM-M體系結(jié)構(gòu)Cortex-M3為代表。屬32位標(biāo)準(zhǔn)處理器RISC架構(gòu)，含有高效，靈活Thumb-2指令集；Cortex-M3具有功耗小，門數(shù)少等特點(diǎn)、中斷延遲較短，調(diào)試成本低。另外，意法半導(dǎo)體公司還發(fā)布了與之匹配的開發(fā)軟件，提供相關(guān)官方固件，使大批開發(fā)者投身STM32研究與開發(fā)，STM32系列處理器問世，以其低價(jià)，高性能，很快占領(lǐng)市場(chǎng)，得到了眾多開發(fā)者及企業(yè)的歡迎。STM32F103x系列增強(qiáng)處理器，工作溫度范圍最低為-40°C，最高可達(dá)到+105°C，供電電壓為1.0V~1.6V，實(shí)現(xiàn)了非工作狀態(tài)省電模式的自動(dòng)切換，減少了功耗，在多種工業(yè)場(chǎng)合中得到了廣泛使用。STM32F103x系列處理器包含LQFP36、LQFP48、LQFP64、LQFP100、LQFP144等4種不同封裝方式，在內(nèi)部配置上也存在著一些不同。STM32F103RBT6微控制器使用的是Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)使用了LQFP144進(jìn)行封裝，它有著大量片上外設(shè)，表現(xiàn)突出[40]。其內(nèi)主頻72MHz，閃存128KB，RAM為20KB。片上外置USB1.0全速接口和CAN接口、十六位定時(shí)器、USART接口、七通道DMA控制器，16通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，等等。STM32F103RBT6具有48個(gè)快速多功能雙向I/O端口，所有的I/O口都能映像為16個(gè)外部中斷；每一個(gè)I/O管腳可被軟件配置為輸出（攤拉或開路）、輸入（拿著或者沒拿著就拉倒或者下來）或者其他外設(shè)功能口；大多數(shù)I/O管腳是由數(shù)字或者模擬外設(shè)所共享，全部I/O管腳均具有大電流通過能力。該設(shè)計(jì)主要使用了片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器模塊，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、UASRT模塊的特點(diǎn)等等。其中，AD轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)麥克陣列的處理信號(hào)進(jìn)行采集，利用RTC時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。最小系統(tǒng)由8M外部晶振電路，31.768KHz時(shí)鐘晶振和復(fù)位電路組成、JTAG仿真接口和啟動(dòng)模式設(shè)置。STM32的內(nèi)部電路見圖1.3：圖1.3STM32內(nèi)部電路1.5LC12S數(shù)據(jù)傳輸模塊本課題選擇的數(shù)據(jù)傳輸模塊是LC12S無線傳輸模塊，由于麥克風(fēng)陣列的設(shè)計(jì)間距太大，麥克風(fēng)陣列內(nèi)每個(gè)麥克風(fēng)所收集的聲音信息需通過該模塊傳輸給STM32處理器處理。模塊使用了最新的1.4GSOC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了串口透明傳輸，該模塊不受數(shù)據(jù)包大小的限制，延時(shí)較短，在數(shù)據(jù)采集，智能家居等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用、AGV機(jī)器人等等方面。LC12S中數(shù)據(jù)傳輸模塊的引腳見表1.3：表1.3LC12S模塊參數(shù)引腳引腳名稱引腳功能描述1VCC電源電源（接1.2~1.6V）典型1.3V2RXT模塊數(shù)據(jù)輸出（TTL電平）串口通信數(shù)據(jù)接收3TXD模塊數(shù)據(jù)輸入（TTL電平）串口通信數(shù)據(jù)發(fā)送4SET設(shè)置位配置參數(shù)使能5CS休眠接低電平時(shí)工作，懸空時(shí)為高電平6GND電源接地上電后在CS引腳接通低電平的情況下運(yùn)行，SET腳就是設(shè)定參數(shù)的標(biāo)志位，拉低或者短接在地面上，可以在低電平的情況下，把模塊轉(zhuǎn)換為參數(shù)配置的模塊式引腳來設(shè)定，當(dāng)TXD與RXD的引腳接通高電平后，即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。1.6液晶顯示電路設(shè)計(jì)現(xiàn)有液晶屏包括TFT液晶，LCD液晶，IPS液晶等、OLED液晶和AMOLED液晶，如TFT液晶、LCD液晶和IPS液晶在色彩上有著更加艷麗的優(yōu)點(diǎn)，但是，與此同時(shí)，它所帶來的耗電量也是比較大的；OLED與AMOLED拋棄傳統(tǒng)背光驅(qū)動(dòng)方式，利用LED發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)直接顯示，當(dāng)它呈現(xiàn)出純黑色的時(shí)候，耗電量接近于0，毫無疑問，這對(duì)移動(dòng)設(shè)備來說是一件幸事。該系統(tǒng)使用0.96寸單色OLED模塊顯示數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備功耗減小，然后搭配程序待機(jī)和喚醒模式，有效地解決移動(dòng)設(shè)備低功耗的問題0.96寸單色OLED模塊嵌入SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片，引出6針的SPI/I2C通信接口，該設(shè)計(jì)利用I2C協(xié)議和單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，使用1.3V電源。0.96寸OLED模塊的每個(gè)引腳的功能進(jìn)入到表1.4中：表2.4模塊功能引腳圖引腳方向功能描述GND接地線VCC液晶模塊電源正電壓輸入（2.3V）SCL輸入串行時(shí)鐘引腳SDA輸入串行數(shù)據(jù)引腳RES輸入復(fù)位引腳D/C輸入數(shù)據(jù)/命令選擇引腳2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型建立2.1坐標(biāo)系的建立導(dǎo)出機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)模型，要求由低級(jí)至高級(jí)逐一進(jìn)行，其中包括機(jī)器人位姿表示，單車輪運(yùn)動(dòng)學(xué)表示等，若干個(gè)輪子結(jié)合起來，共同完成機(jī)器人整體移動(dòng)的限制。與機(jī)械手臂固定不動(dòng)相比，移動(dòng)機(jī)器人因其獨(dú)立性，移動(dòng)性等特性，引入位姿表示這一環(huán)節(jié)，需建立全局與局部?jī)纱笞鴺?biāo)系，綜合描述移動(dòng)機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的工作空間為-一個(gè)平面，建立與該平面固連的全局坐標(biāo)系XIOIRI及與機(jī)器人固連的局部坐標(biāo)系XrOrYr，O為全向移動(dòng)機(jī)器人之質(zhì)心。由于假定移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是剛性的，側(cè)向運(yùn)動(dòng)可以忽略不計(jì)。文中所建移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型具有11個(gè)自由度，移動(dòng)機(jī)器人的主體具有橫向和縱向、轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度，每只輪子都有旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)自由度。在二位平面內(nèi)，機(jī)器人位姿可由一個(gè)三維向量（x，y，0）T來表示。以確定機(jī)器人在平面內(nèi)的位姿，這就需要在兩個(gè)坐標(biāo)系之間建立-一個(gè)映射關(guān)系，利用正交矩陣R（θ）來完成全局坐標(biāo)系向局部坐標(biāo)系映射：將移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)映射到局部坐標(biāo)系中：2.2驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與輪式全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型2.2.1驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，首先是要對(duì)加到單獨(dú)輪子上面的約束條件進(jìn)行表達(dá)。輪式移動(dòng)機(jī)器人有4種輪子，即標(biāo)準(zhǔn)輪、全向輪（瑞典輪），球形。輪，小腳輪。全向移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是建立在對(duì)各個(gè)輪子的表達(dá)之上的。上面的限制，然后就可結(jié)合在一起，算出機(jī)器人整體的動(dòng)作。約束分析前，假設(shè)輪子平面始終保持豎直，且輪子和地面之間總是單點(diǎn)接觸。本論文所設(shè)計(jì)之輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可視為可操控之標(biāo)準(zhǔn)輪，與固定式標(biāo)準(zhǔn)輪相比，增加了繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)自由度。轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)輪轂電機(jī)圍繞豎直的轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，與底盤間構(gòu)成一個(gè)連續(xù)變化角度β。圖2.4是可操縱標(biāo)準(zhǔn)輪A位置姿態(tài)的描述，A的方位以極坐標(biāo)l、α為單位。圖2.4可操縱標(biāo)準(zhǔn)輪及參數(shù)輪子上的滾動(dòng)約束強(qiáng)迫沿輪子平面方向上的一切移動(dòng)產(chǎn)生適度的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，因此接觸處滾動(dòng)約束是：用項(xiàng)將處在全局坐標(biāo)系中的它變換到局部坐標(biāo)系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，由于方程中有l(wèi)個(gè)參數(shù)，故方程是必需的、α與β均以局部坐標(biāo)系為基礎(chǔ)。向量φ三個(gè)元素代表沿輪子平面移動(dòng)到x、y、θ之間的映射。輪子的滑動(dòng)約束使與輪子平面正交的全部運(yùn)動(dòng)分量等于零：以上兩式給出驅(qū)動(dòng)輪在移動(dòng)機(jī)器人上運(yùn)動(dòng)學(xué)作用，改變操縱角β會(huì)影響整體移動(dòng)性。通過上面的分析，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，輪子有許多變化范圍很廣的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，因此，導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，也就是約束集合，可集成在一起，用于計(jì)算機(jī)器人整體的動(dòng)作。文中所采用的驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)學(xué)約束較小，這樣減少控制程序復(fù)雜度，同時(shí)減少自由度。2.2.2輪式全向移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型經(jīng)上述分析，給定全向移動(dòng)機(jī)器人，有4個(gè)可操縱輪，可對(duì)底盤運(yùn)動(dòng)學(xué)約束進(jìn)行計(jì)算。其關(guān)鍵在于恰當(dāng)結(jié)合所有輪子所產(chǎn)生的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。特殊之處在于全向輪未對(duì)底盤增加運(yùn)動(dòng)學(xué)之限制，其原因是內(nèi)部輪子自由度大，移動(dòng)機(jī)器人在各種場(chǎng)合都可以自由設(shè)置姿態(tài)。本論文所設(shè)計(jì)之全向移動(dòng)機(jī)器人具有四個(gè)可操控之標(biāo)準(zhǔn)輪，因此，四個(gè)輪子滾動(dòng)約束，也就是第一式，可匯集為矩陣表達(dá)式：其中，對(duì)角矩陣為J2，其數(shù)值為每個(gè)輪子半徑r；J1（β）表示每個(gè)約束沿其輪子平面投影得到的運(yùn)動(dòng)約束，它是4X3矩陣。由于可操縱標(biāo)準(zhǔn)輪的方向不是固定的，因此，J1（β）就是一個(gè)隨時(shí)間而改變的矩陣。式中矩陣取代上述式子的個(gè)別數(shù)值，所以，所有的輪子都要考慮在內(nèi)，因此，公式表示所有標(biāo)準(zhǔn)輪沿輪子平面運(yùn)動(dòng)，根據(jù)它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，繞著各自水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，那么地面接觸點(diǎn)將發(fā)生滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。類似地移動(dòng)機(jī)器人滑動(dòng)約束也可通過相同方法獲得：滑動(dòng)約束C1（β）為4X3矩陣，其數(shù)值為式（2.5）的3個(gè)條目。移動(dòng)機(jī)器人的滾動(dòng)約束和滑動(dòng)約束J1（β）和C1（β），及與轉(zhuǎn)速φ相關(guān)的可得：先確定了每一輪α，β為隨時(shí)間的函數(shù)。假設(shè)車輪位姿調(diào)節(jié)一定的角度即可得到：在本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人中：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，把運(yùn)動(dòng)參數(shù)引入上述兩式：可獲得8個(gè)方程組，結(jié)合其中任三個(gè)方程，可求得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程εl。2.2.3移動(dòng)性能分析和討論就工業(yè)制造而言，機(jī)器人學(xué)已獲得很大成功。在裝配線上，將機(jī)械手臂固定不動(dòng)地安裝到指定地點(diǎn)，能夠高速、高精度地執(zhí)行任務(wù)。但這種機(jī)器人有一個(gè)基本缺陷，那就是機(jī)動(dòng)性不足。移動(dòng)機(jī)器人具有機(jī)動(dòng)性，即隨時(shí)在地面上沿任意方向移動(dòng)。機(jī)器人可操縱總自由度，叫做機(jī)動(dòng)程度δM。機(jī)動(dòng)性是由輪子的轉(zhuǎn)速與機(jī)器人的直接操作自由度共同組成。固定機(jī)械手移動(dòng)幅度有限，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車AGV、火星車等等，令人矚目的是其機(jī)動(dòng)性。移動(dòng)機(jī)器人能夠靈活行走，特別適用于輪式移動(dòng)機(jī)器人，輪子類型選擇，裝配位置等因素影響了機(jī)器人三個(gè)主要特點(diǎn)：機(jī)動(dòng)性、可控性與穩(wěn)定性。（1）機(jī)動(dòng)性就移動(dòng)機(jī)器人的研究而言，能夠?qū)崿F(xiàn)高機(jī)動(dòng)性的其他種類移動(dòng)機(jī)器人非常常見，例如，兩輪差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)器人，兩個(gè)輪子圍繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，不會(huì)發(fā)生位置變化，與全向機(jī)構(gòu)機(jī)器人相比，該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性稍差一點(diǎn)。本論文設(shè)計(jì)了一種全向移動(dòng)機(jī)器人，也就是隨時(shí)可沿平面沿任一方向移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一機(jī)動(dòng)性，要求輪子至少能在兩個(gè)方向上移動(dòng)，底盤方案釆用了一只麥克納姆輪，能獨(dú)立旋轉(zhuǎn)平移，無限制。本論文設(shè)計(jì)之個(gè)電機(jī)組成之底盤，以控制之復(fù)雜性，補(bǔ)償機(jī)械之低機(jī)動(dòng)性，若不計(jì)轉(zhuǎn)向限位開關(guān)的影響，輪子能靈活°無限準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)，它很好地保證了機(jī)動(dòng)性和全向運(yùn)動(dòng)。（2）可控性移動(dòng)機(jī)器人可控