轻松实现交互式机器人小车设计，提供软硬件设计指南

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一、项目概述
          1.1 引言
          交互式机器人小车主要是将语音的交互、视频的传送、动作的捕捉等功能结于一体，帮您实现视觉、听觉的拓展，无限缩短您与您家人的距离。它将采用具有超强的音频解码和流媒体处理能力的AT32UC3A0512作为核心；以Wi-Fi模块作为传输和控制的介质，从而有效保证媒体质量；用两驱三轮小车作为载体，充分确保小车定位与导航的灵活性。两块60mm*100mm左右的太阳能电池板，在阳光充足时可提供近2w左右的功率，让小车可以快速完成自动充电的过程。而自动寻光模块则解决了小车如何自动充电的问题，它主要由光敏传感器和微控制器中的蚁群算法构成，确保小车可以快速寻找到光源最充足的地方。
           
          1.2 项目背景/选题动机
          社会节奏越来越快，父母、孩子、工作似乎已很难兼顾，而我们的交互式机器人小车将为您排解这一忧虑。它可以让您无论身在何方都可与您的孩子进行互动式游戏；向您远在家乡的父母发出一声深情的问候；还可在家中巡视。当然现在家用机器人的安全问题已成为我们不得不面对的难题，我们的交互式机器人小车作为家用机器人中的一员，您可能也会发出它会不会泄露家庭隐私的疑问。在此我们不能保证绝对安全，但会为您构建专门的VPN通道，将我们的机器人小车的安全做到最好。同时在能源方面，我们设计的是太阳能充电和手动充电结合。在空闲模式时，机器人小车会自动寻光进行太阳能充电，这样可以基本省去您充电的麻烦。
           
          二、需求分析
          2.1 功能要求
          ①、对EVK1105上的USB进行设计，实现与常用免驱摄像头的直接连接，并从中完成高分辨率的视频图像的信息提取。
           
          ②、结合Wi-Fi模块和EVK1105板上的网络模块将我们的机器人小车连接到Internet上，当然在其中我们会申请VPN通道，从而确保信息的安全。
           
          ③、可以将视频和声音通过WiFi传到Internet上，同时可与对应客户端进行信息的传递。
           
              ④、可以实现即时语音通信，如QQ、MSN软件中的语言聊天
           
              ⑤、空闲时交互式机器人小车可以自动寻光，并利用太阳能电池板对电池充电
           
              ⑥、摄像头可以3自由度旋转，并实现互动式操作
           
          ⑦、小车可以自动定位和导航，自动躲避障碍，对障碍的盲区一般可控制到2cm范围以内。
           
          ⑧、当遇到撞击的情况，可通过振动传感器进行有效检测，再回到原位从新避过。

         

          2.2 性能要求
          充分利用EVK1105板上资源；可实现高清视频的获取及传送；可完成即时的语音交互，延时不超过1秒；可以直接越过3cm高的台阶；可以续航10小时，阳光充足时可实现6小时把电充满；铝合金打造坚不可摧，能承受高强度撞击。
         
          三、方案设计
          3.1 系统功能实现原理
          我们的交互式机器人小车主要可以分为EVK1105核心控制模块、Wi-Fi无线网络模块、传感器信号采集模块、视频语音采集模块、L298N电机驱动模块、太阳能充电模块和车体模型七大模块。具体系统硬件结构框图如下所示：
           

       

                                   图（1）：交互式小车系统结构框图

         

        其中Wi-Fi网络模块我们暂时考虑用无线路由器再结合EVK1105上的网络服务模块来构建，暂不详述。下面将着重介绍传感器信号采集模块、视频语音采集模块、L298N电机驱动模块（包含舵机控制）、太阳能充电模块的基本原理：

         

        3.1.1、传感器信号采集模块

          在这一模块中我们主要用到了ADXL345三轴加速度传感器、避障用的红外光电传感器（经试验这样避障会产生较大盲区，如算法优化不成功我们可能会以超声波测距模块替换）、霍尔元件、震动传感器、光传感器。在这一模块中除装备了必要的传感器外，我们还将为它留下充足的传感器拓展口，以方便以后进行功能的拓展和一些性能方面的改进。
           
          其中ADXL345是一款高精度数字式的三轴加速度传感器，它具有在16G下高分辨率（13Bit）测量能力，同时支持SPI和I2C通信方式。有了它便可有效的检测出小车的运动路径，还确保了机器人小车行驶过程中的平稳。具体模型如下：
           

       

         

          设机器人的初始位置为( X 0，Y 0 )，对x 轴的初始偏角为α0  ，经过单位时间t 后机器人的位置 (Xt，Yt)为：

        X=2Rsin(R/2)cos(α0 +β/2)+X0

        Y=2Rsin(R/2)sin(α0 +β/2)+Y0

         

         
           
          光电传感器用于对障碍的检测，它的有效检测距离可达30cm且不受光线强弱影响，具体连接如图（2）所示。小车的速度检测我们是通过霍尔元件来实现的，具体原理是在车轮加上强磁体，然后让MCU根据霍尔元件传会的脉冲定时，再结合车轮直径便可算出车速。震动传感器则用于检测车体是否发生碰撞。光传感器主要是为太阳能自动充电服务的，有点类似于一般的智能车自动寻找点亮的蜡烛并将其熄灭的过程。而我们的光传感器传回的主要是模拟信号，因此要先对其进行AD转换，再根据转换结果分析光的强弱。
           
          3.1.2、视频语音采集模块
          在本系统中我们暂时使用的是一般的免驱摄像头加CH374来获取的，但在EVK1105我们会考虑直接加驱动连接获取。对于语音的采集，虽然摄像头中内置了麦克风，但我们试验发现效果并不好，对于这一问题我们考虑用外置麦克风解决。
           
          3.1.3、L298N电机驱动模块
          具体原理图如下所示。这一模块主要用对小车速度和方向的控制，MCU只要为其提供2路PWM信号和两路方向信号即可。
           

          

                                    图（3）：L298N电路原理图
           
          3.1.4、太阳能充电模块
          这一模块我们主要用滴胶太阳能电池板和DC-DC升压电路来实现。具体原理图如下所示：
           

       

                               图（4）：DC—DC升压电路
           
           
          3.2 硬件平台选用及资源配置
          由于考虑到本系统对视频和语音的要求比较高，因此我们选择具有强大的音频解码和流媒体处理能力的EVK1105硬件平台作为核心控制器，并且EVK1105在USB模块方面的配备和引导将为我们的设计提供极大的方便。在我们的交换式机器人小车中将EVK1105将作为一USB主机，通过相应USB驱动从摄像头中获取视频信号并由板上的液晶模块显示。同时USB还负责一个音响的控制，实现音频的播放。而我们的Wi-Fi模块主要依赖与EVK1105的网络拓展，通过EVK1105相关网络服务的引导，我们会构建一简单的Web Server，然后只需通过网络远程访问这个Web Server便可获取相关信息或对小车实行相应的控制。而我们的电机和舵机控制用的PWM信号将由AT32UC3A0512的相应I/O提供，传感器模块及其它相关输出操作则由普通I/O口完成。
           
           
          3.3系统软件架构
           

       

                                          图（5）：系统软件架构
           
           
          3.4 系统软件流程
          从流程图中可以看出我们的机器人小车在空闲时会自动寻找光源，当找到充足的光源后它充电的同时会进入睡眠模式，这样可以把能源的消耗降到最低。如果在这时有控制申请，系统会以中断的方式唤醒AT32UC3A0512。在进行系统远程登录操作时首先要通过身份验证，同时为了保证信息的安全我们还会为其配备专门的VPN通道。验证通过后，系统则自动将检测到得信息先处理，在进行打包发送。在视频显示环节，EVK1105板上显示器要同步显示。当信息发送完毕后，系统自动检测接受缓存区是否有数据。如有则接受相应信号，并对其进行分离，具体如上流程图所示。
           

       

        图（6）：程序运行流程图

         

          3.5 系统预计实现结果
          在有网络的情况下，只需登录相应网页并通过身份验证，就可与机器人小车周围的人交谈。还可通过远程控制小车，观察小车周围的任意场景。小车的摄像头可以随着客户端鼠标的上下左右移动而一起移动，方便对任意角度的观察。控制时只需在接受的视频上移动鼠标点中想让小车到达的目的地，它便可自动到达。或者也可直接为它设置行进路径，就如一些游戏中目标的路径移动一样。在不对小车进行操作时，机器人小车会进入空闲模式。此时小车会根据时间判断是否自动寻找光源，当寻找到光源时小车则进入睡眠模式并进行充电。小车寻找目的地时可以自动辨别最优路径，在行进过程中如遇到障碍会自动躲避，如发生意外撞击则先归位再自行绕开。

李小路

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