一种基于STM32单片机的球型移动机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于STM32单片机的球型移动机器人，所述球型移动机器人包括球形外壳，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，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，舵机云平台上安装有用于采集图像信息的单目视觉相机；本发明专利技术采用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。

A Spherical Mobile Robot Based on STM32 MCU

The invention discloses a spherical mobile robot based on STM32 microcontroller. The spherical mobile robot includes a spherical shell. The upper part of the spherical shell is equipped with an upper double-wheel shock absorber unit for ensuring the stability of the whole system. Under the upper double-wheel shock absorber unit, a steering gear cloud platform for adjusting the angle of image transmission is provided, and a single for collecting image information is installed on the steering gear cloud platform. The present invention adopts Android client as the control and display terminal, communicates with the robot through Wi Fi, transmits the collected video image to the client in real time, and controls it through the operation instructions generated by the client; At the same time, the robot uses a 32-bit STM chip as the control center of the system, and uses RAK5206 scene image transmission module. Video image acquisition, receiving operation instructions from client through Wi Fi module, communicating with control center through serial port, controlling motor response, and realizing corresponding action.

【技术实现步骤摘要】
一种基于STM32单片机的球型移动机器人
本专利技术涉及智能机器人设备
，尤其涉及一种基于STM32单片机的球型移动机器人。
技术介绍
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专利技术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。
技术实现思路
基于以上现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术提供了一种基于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，内直径均为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于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(1)，所述下位机为球型移动机器人，其特征在于：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)设于所述双轮驱动单元(7)的下方。

【技术特征摘要】
1.一种基于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(1)，所述下位机为球型移动机器人，其特征在于：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)设于所述双轮驱动单元(7)的下方。2.如权利要求1所述的基于STM32单片机的球型移动机器人，其特征在于，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。3.如权利要求2所述的基于STM32单片机的球型移动机器人，其特征在于，所述单片机(9)采用STM32F103RCT6芯片。4.如权利要求2所述的基于STM32单片机的球型移动机...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丽，杨济宁，吴永庆，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21