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为解决当前大部分家庭服务机器人不具备行走功能或只具有简单的避障能力等问题，本文设计一种基于STM32的家庭服务机器人系统。整个系统由轮式机器人、XBee协调器、RFID智慧地板和上位机组成。轮式机器人由主板、传感器模块、射频模块、舵机模块、电源模块和机器人金属主体组成，传感器模块包括电子罗盘、红外传感器和RFID读卡器。主板以ARM Cortex-M3内核微处理器STM32F103VCT6为核心进行开发，采集传感器模块数据信息，实现机器人与XBee协调器之间的通信连接。该系统在模拟智能家居的环境下通过自主决策稳定和高效地完成设定任务，能够满足家庭服务机器人的应用要求。
随着人工智能和传感器技术的发展，机器人已从工厂的结构化环境进入人们的日常生活环境，机器人不仅能自主完成工作，还能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。家庭服务机器人是智能家居系统的一个重要组成部分，在生活中的作用越来越重要。当前，大部分的家庭服务机器人不具备行走功能或只具有简单的避障能力，机器人的研究很多依赖于仿真实现，但是现实情况和仿真结果可能大相径庭。也有一些研究将问题复杂化，反而走了更多的弯路。
智能家居环境设计长为3.25米，宽为2米，铺满RFID智能地板，分隔成厨房和客厅两个房间，中间的房门宽0.3米。厨房有水槽、搁板、智能冰箱等电器，客厅有餐桌、餐椅等。RFID智能地板的排列信息给机器人提供准确定位。轮式机器人负责往返厨房与客厅之间给服务对象运送物品，是整个系统的核心部分。XBee协调器是基于ZigBee技术的无线传输模块，负责数据快速稳定地传递。上位机主要负责数据的接收、处理和控制指令的下达等。
首先，在XBee协调器上电复位后对包括硬件和软件的各个模块进行初始化。然后，开始扫描信道、进行能量检测、选择信道以及选择合适的PAN ID。成功之后就广播网络ID、信道，XBee网络就建立了。之后，XBee协调器进入监听状态，等待子节点发送入网请求信号，收到入网请求后协调器允许子节点入网并分配网络短地址给子节点，这就实现了节点的入网功能。最后，XBee协调器将上位机数据发送给子节点射频模块，启动轮式机器人，在收到来自子节点的数据请求后，将接收数据并通过串口线传输给上位机，这就是数据的收发功能。
首先，轮式机器人上的XBee模块需要初始化和发送入网请求，实现节点入网。然后，XBee模块接收XBee协调器传输的任务命令数据，主板对各传感器模块初始化。RFID读卡器读取智能地板坐标数据，发送给XBee协调器。电子罗盘获取机器人当前的姿态信息。红外传感器检测机器人所处环境的障碍物距离，主板控制启动由左右两个连续旋转舵机组成的移动轮。机器人通过自主决策规划路径，移动至目标位置，启动机械臂抓取物品，其中机械臂由多个角度舵机组成。在机械臂保持抓取物品的状态下，再次规划路径移动至最终地点，机械臂准确将物品放在目标位置。完成任务后机器人回到起始位置，进入休眠模式。
传感器模块由传感器和相应的信号调理电路组成。轮式机器人使用的传感器包括红外传感器、电子罗盘和RFID读卡器。根据轮式机器人移动过程中检测障碍物距离的精度要求，红外传感器采用的型号为Sharp GP2D12，分别安装在机器人前方、左前方、右前方、左侧和右侧五个位置。电子罗盘采用GY-80九轴模块中的HMC5883L三轴电子罗盘，可以在复杂环境下测得准确方位值，抗磁电干扰能力较强。RFID读卡器采用Parallax公司的低频段28140读卡器，可读取125kHz标签。
机器人移动过程中利用电子罗盘进行姿态调整，即调整前进方向，努力寻找一条最快捷的路径到达目标位置。机器人姿态调整主要取决于当前位置和前一位置与目标位置的距离，包括横向距离和纵向距离。若当前位置与目标位置的横向距离和纵向距离分别小于或者等于前一位置与目标位置的横向距离和纵向距离，表明机器人与目标位置的距离在逐渐缩小，机器人在朝目标位置前进，否则就说明机器人没有按预期的轨迹前进，需要再次进行姿态调整。姿态调整示意图如图2所示。
本文设计的家庭服务机器人系统，为智能家居环境服务对象的需求任务提出了详细可行的解决方案。整个系统应用了基于XBee模块的主流无线通信技术，以保证数据的传输速率。此外，对轮式机器人的模块化设计具有结构简单和性能稳定等特点，大大提高了家庭服务机器人的可靠性，并且降低了系统的硬件成本。自主决策过程中的路径规划，使得机器人能够快速沿着最合适的路线移动。总之，该设计系统对家庭服务机器人相关问题的解决提供了可借鉴的方法。
