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06-18
介绍 在工业生产和日常生活中，经常会出现寻找物体、检测、救援等特殊需求，而且涉及的地点可能很小深邃的洞穴、建筑废墟，甚至含有有毒物质的空间，往往是人们难以进入的。
能够越过障碍物、探测和传输信息的无人探测机器人在这里极其重要。
鉴于此，在充分调研信息检测技术、机器人控制技术和远程通信技术的基础上，结合现有的常用技术手段和相关研究成果，提出了一种基于STM32单片机和无线通信模块的设计（本文主要涉及Wi-Fi Fi模块和蓝牙模块）检测机器人，并对其进行了实际操作和检测功能测试。
同时，根据试验情况提出了一些改进方法。
1 研究背景及意义 从外太空探索到生产、生活的具体方面，对作业环境信息检测的需求极为普遍。
一些特殊探测空间，人员难以进入进行内部作业，如小口径管道、重型机械设备底部或后方的狭小空间、科考涉及的各类洞穴、野外人员搜救、灾后等。
和事故。
建筑物废墟中含有有毒物质、危险动植物或高压电等危及人们生命的场所等。
遇到这些情况时，由于操作人员无法直接进入工作环境，因此检测机器人需要代替人进入，及时获取内部信息并传输至外部，从而快速确定最佳工作方案。
因此，检测机器人的机械机构、运动控制、数据通信和供电解决方案的研究一直是国内外的热点问题。
近年来检测机器人也变得更加多元化和智能化。
文献提出了井下探测机器人的总体设计方案，并重点讨论了其运动控制系统的软硬件设计：文献[5]结合矿山特殊探测环境的实际特点，提出了一种基于蚁群的方法算法和遗传学。
算法检测机器人智能路径规划方法：文献提出的检测机器人运动控制算法基于大数据聚类，大大降低了机器人运动轨迹的误差。
可见，在检测机器人领域，已经有大量的研究成果可供参考。
然而，在实际的信息检测任务中，机器人面临的环境往往高度复杂，固定的跟踪运动模式和低灵活性的控制算法将无法适应各种复杂的作业地形环境。
本文设计的检测机器人具有成本低、可控性高、适应性强的特点。
它不设计依赖于高成本设备的复杂运动控制算法。
相反，它采用简单的实时通信控制系统架构，结合STM32微控制器和无线通信模块作为控制和通信平台，可以以较低的硬件成本满足更通用的多场景检测需求。
？灵活、无障碍：（2）具有视频信息采集和传输功能：（3）操作人员可以对检测机器人进行无线遥控，控制其移动和摄像头旋转。
2.2 检测机器人系统总体架构 本文设计的检测机器人系统总体架构如图1所示。
图1 检测机器人系统总体架构 检测机器人系统可分为四个主要部分：感知层、控制层、通信层和上位机。
其中： （1）感知层包括USB摄像头和超声波测距模块。
摄像头通过USB通信协议与STM32单片机连接，可以将采集到的视频信息实时传输到单片机接口：检测机器人的运动主要依靠操作者的遥控，但超声波测距和预留报警功能，方便操作者更直观地准确评估目标物体的详细距离信息，防止误操作引起的碰撞。
(2)控制层的核心是STM32单片机主控电路板。
单片机主要负责两个功能。
一是接收摄像头和超声波测距模块发送的数据信息，并控制无线通信模块发送视频信息给Android设备控制端；另一种是接收Android设备发送的控制指令，并根据指令进行控制。
利用分析结果控制机器人底盘轮子的旋转速度，实现前进、后退、转弯、变速等运动模式，或者控制相机舵机的角度，改变镜头的方向。
(3) 通信层由无线通信模块及其无线网络组成。
本文采用Wi-Fi模块和蓝牙模块，两者都可以通过无线联网的方式连接到Android设备上的相应接口，为操作人员远程控制检测机器人提供了条件。
(4) 主机使用Android设备，一般为手机或平板电脑。
操作人员可以在上位机界面实时查看摄像头检测到的视频，还可以点击按钮控制机器人的运动和摄像角度。
此外，为了增强机器人底盘的环境地形适应性，四个轮子均采用麦克纳姆轮，实现更灵活的移动。
？如图2所示。
STM32单片机控制板通过串口连接Wi-Fi模块和蓝牙模块（两个模块与单片机硬件的连接方式相同，都是：无线模块的TXD端连接）到单片机的RXD端，RXD端连接到单片机的TXD端，无线模块连接到单片机的GND引脚，即“公共地”）。
实际使用时，可以通过进入不同的单片机子程序定义I/O端口来选择Wi-Fi模块和蓝牙模块之一。
连接并配置其无线通信参数。
配置完成后，操作人员可以在Android设备上输入无线网络密码，并以无线通信模块为热点加入网络。
无线通信网络建立后，STM32单片机可以将摄像头采集到的视频信息通过无线通信模块发送给Android设备。
此外，STM32微控制器实时判断是否已接收到来自Android设备的数据。
如果是，则根据程序中建立的通信协议来控制轮子速度或相机舵机的旋转角度。
需要指出的是，通过控制四个麦克纳姆轮之间的速度差，可以实现机器人底盘的转向。
摄像机安装在由两个舵机控制的云台上，其中一个可以左右旋转，另一个可以上下旋转。
3.2 无线通信网络设计 为了实现设计要求，对几种常见的无线通信协议进行了比较，如表1所示。
其中，ZigBee模块虽然功耗和成本较低，但不适合连接Android设备：GPRS模块信息成本较高：LoRa模块通信距离远，信号抗环境干扰能力强，但通信速率较低。
不利于视频信号的传输。
因此，暂时选择Wi-Fi模块和蓝牙模块作为检测机器人的无线通信接口。
以Wi-Fi模块为例，其无线局域网设计如图3所示。
这里指出，只需使用STM32单片机将Wi-Fi模块配置为AP模式即可。
无需连接至 Internet 网络。
Wi-Fi模块可作为无线网络热点。
Android 设备更容易使用自己的 Wi-Fi 模块。
加入无线网络进行无线通信。
蓝牙模块还可以组成类似图3的无线局域网。
3.3系统电源设计 整个检测机器人采用12V直流电源，由3节可充电0锂电池串联提供。
。
由于系统各部分硬件所需的供电电压等级不同，因此采用降压电路模块将12V直流电压转换为3.3V为STM32单片机供电，转换为5V为超声波测距模块供电、USB 摄像头和 4 轮直流电机。
相机舵机直接采用12V供电。
4 实际调试及改进设计 4.1 实际调试 检测机器人小车组装后外观如图4所示。
图4 检测机器人整体外观 机器人安装时实际运行时，使用Android手机界面查看摄像头画面并实时控制其运动，如图5所示。
图5 检测机器人实际操作界面 4.2 改进设计 经过实际测试，所设计的检测机器人能够更好地利用单片机和无线通信技术，实现视频信息的采集和传输以及操作者对机器人的控制远程无线控制，为机器人进入特殊检测空间提供了可能代替人类完成任务。
未来，为了进一步增加其遥控距离，可以将无线通信模块更换为基于该设计架构的4G/5G模块，以满足更广泛范围内的特殊检测需求。
5 结论 综上所述，整个检测机器人硬件系统以STM32单片机电路板为控制核心，通过无线通信模块与Android设备连接，将摄像头采集到的视频信息传输到传感器上。
人性化的控制界面，操作者还可以点击界面上的按钮，利用无线通讯网络将控制指令发送到机器人上的通讯模块。
然后STM32微控制器分析指令并控制四个轮子的旋转速度和相机舵机的角度。
基于这一总体设计思路并经过实际验证，操作者可以通过Android设备界面实时查看摄像头拍摄的清晰图像，还可以控制机器人本体的运动模式和摄像头视角。
改进机器人的供电系统并更换为更高分辨率的摄像头，可以进一步提高检测机器人的整体性能。
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