基于北斗自主巡航多功能机器人设计

惠州学院电子信息与电气工程学院 黄宏越 姚文树 赖家民 汪成龙

基于北斗自主巡航多功能机器人设计

惠州学院电子信息与电气工程学院 黄宏越 姚文树 赖家民 汪成龙

设计一款基于KL26的北斗自主巡航多功能机器人,该机器人通过北斗实时定位、WiFi通讯控制、超声波避障以及陀螺仪确定转向等方式，实现机器人按照一定路线自主巡航的功能，同时设计一款遥控APP以控制机器人。本文先对机器人的功能等情况进行概述，然后分别系统的介绍硬件设计和软件设计，最后通过实地测试验证了本设计的可行性。本设计为安防、运输领域提供智能化的

KL26北斗；WiFi；超声波；九轴加速度计陀螺仪

1. 前言

随着人工智能时代的来临，机器人的应用领域也将越来越广泛。本文基于安防领域设计了一款能够通过北斗定位的自主巡航机器人。该机器人以KL26为主控芯片，通过北斗模块实时定位，通过WiFi模块连接手机APP获取控制，通过超声波模块避障，通过九轴加速度计陀螺仪模块确定车转向，从而实现机器人按照一定路线自主巡航的功能。同时在已有24V电源的基础上，增加备用电源,保证机器人的可靠运行。

2. 硬件设计

本系统硬件以KL26为主控芯片，外围电路包含：超声波模块、北斗模块、9轴加速度陀螺仪模块、wif i模块等。它们分别通过GPIO、UART0、IIC2和UART2与KL26相连系统。系统硬件框图如图1所示：

图1 硬件框图

（1）主控芯片：北斗自主巡航多功能机器人硬件使用KL26单片机作为核心控制器。KL26是采用Kinetis L系列内核，主频48MHZ，内置128K Flash。同时具有运行速度快、功耗低的优势，非常适合作为本设计的主控芯片。

（2）超声波模块：采用HC-SR04超声波测距模块，其工作原理为：采用IO口TRIG触发测距，提供的高电平信呈最少为10us ；模块自动发送8个40kHz的方波测试信号；有信号返回，通过IO口ECHO输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从往返时间。

（3）北斗模块：采用双系统导航/授时模块，默认波特率为9600bps。使用Unicore协议，所有消息都以’$’开头，后面跟着消息名，之后为不定数量的数据与参数，以逗号隔开，最后的参数是可选校验和，以’*’隔开。输入消息以’ ’或’ ’结束,输出消息以’ ’结束，每条消息不超过256个字节，不区分大小写[1]。

（4）九轴加速度计陀螺仪模块：模块含有：MPU-6050、传感器、电子罗盘。默认波特率为115200 bps。模块发送至上位机的每帧数据分为3个数据包，分别为加速度包、角速度包和角度包，按照三个数据包顺序输出[2]。

（5）WiFi模块：本设计采用ESP8266串口WiFi模块，它有3种工作模式。其中，AP模式下模块相当于路由器，只要手机连接上就能传送数据，简单快捷，故采用AP 模式。

3. 软件设计

北斗自主巡航多功能机器人软件设计分为：机器人控制系统软件设计和遥控APP设计。其中机器人控制系统软件设计包含：WiFi模块、超声波模块、北斗导航模块，此外还有KL26及其外设初始化编程。遥控APP的设计实现了对机器人运动控制。

3.1 控制系统设计

机器人控制系统软件设计是基于keil uvision4为编程平台。编程过程中利用主程序调用子程序的方式，设置了初始化子程序、运动控制子程序等。流程图如图2所示：

控制软件设计首先对显示模块、九轴加速度计陀螺仪模块、WiFi模块、北斗模块进行初始化。初始化完成后，每隔20ms执行一个任务，每个模块对应一个任务，即每个时间段只有一个模块在工作。在第一个20ms时，接收超声波模块的外部中断，开启定时器，测车与障碍物的距离等；在第二个20ms时，接收北斗的数据，定位当前巡逻车的位置，判断有无越出预定路径，运算处理各种情况；第三个20ms时，接收9轴模块的数据，确定当前巡逻车的方向，结合上一个20ms的定位数据，确定接下来巡逻车的方向。wifi模块则一直处于监听状态，且优先级最高，一旦切换为手动模式，即刻停止。

图2 程序流程图

3.2 遥控APP设计

遥控APP设计的界面分为：主界面、手动模式界面与自动模式界面，主界面采用“ip地址+端口号”的验证方式，如图3所示：

图3 主界面

当机器人运行时，在主界面输入WiFi模块对应的“ip地址+端口号”就能联网成功，并能选择自动模式或手动模式。当与机器人联网成功后，机器人接受APP发送的指令字符串。APP与机器人使用我们设计的通讯指令表，如表1所示。

4. 系统测试

调试过程分为三个步骤：测试各分模块的功能是否正常，焊接和测试都分模块进行；硬件和软件测试，测试两者之间的协调性；微调各种参数，使系统能按预期运行。

完成设计之后，让机器人按照预先设定路线行走。机器人能够按照路线到达每个定点附近，定点的航线偏差在0-3.5m,符合北斗模块4m精度。同时机器人也能很好避障，接受APP控制。因此本设计的测试结果满足设计预期，具有一定的实用性。

表1 控制指令表

5. 结语

本文基于北斗导航系统，设计履带式自主巡航多功能机器人。经过测试，该设计可以按照既定路线进行自主移动，在偶遇障碍物时能自动避障且逐步回到已设轨道，同时可以接受手机APP遥控，在电池电量不充足的情况下能利用继电器进行电池切换。但由于北斗模块精度缺陷，有时存在着偏离路线的现象。因此该多功能机器人更适合在露天、信号通畅的场地巡航。

[1]龚江昆,达风.BD/GPS双模卫星通用导航模块的设计与实现[J].四川兵工学报,2015(06):109-112.

[2]任晓文.船舶摇摆速度对风向风速测量影响的研究[D].大连海事大学,2014.

汪成龙【通讯作者】（1986—），男，湖北人，教师，主要从事机器视觉等教学与科研工作。

黄宏越（1995—），男，广东揭阳人，大学本科，研究方向：智能控制。

姚文树【同为第一作者】（1994—），男，广东汕头人，大学本科，研究方向：智能控制。

赖家民（1995—），男，广东茂名人，大学本科，研究方向：智能控制。