一起来开发一个磁条机器人（一）

描述

之前的几个章节，我们依次介绍了使用stm32的开发经历，文章的顺序是按照机器人从无到有的开发逻辑：stm32的基本使用，stm32是如何和模块完成通信的，stm32控制电机及灯带。

这一章节，我们将正在开始去设计一个机器人，并且使用之前章节的开发经验，完成一个磁条机器人的开发与设计工作。

这一篇是一个先导文章，主要是梳理我们机器人的功能和大体设计逻辑。

磁条机器人的功能

在进行设计与开发工作之前，我们当然要认真的思考：一个磁条机器人被生产出来后，它究竟应该有什么样的功能。那么我们会说，这个磁条机器人应该具有

移动——我们要做的是以磁条未导航的移动机器人，移动功能是最基础的
到位——机器人应该能够精准的到达指定的位置
通信——机器人需要与上层的控制器进行通信
充电——机器人必须要能够充电呀
其他必要功能，包括外壳、开关机、急停、避障、状态显示等
对此，我们将每个功能展开进行说明

功能1 移动能力

移动能力可以分为两个阶段的能力：可移动+沿磁条移动，分别对应机器人需要的两个模块：电机+磁条传感器。

可移动：电机需要能够调速（加速、减速），停止，反向
沿磁条移动：磁条传感器能够返回机器人检测磁条的情况，机器人需要根据传感器的返回状态，调整左右电机的速度，保证磁条始终位于机器人的中间部分。
下图是我使用的磁传感器，该模块的具体性能已经在之前篇章介绍过了，这里不进行赘述。

功能2 到位功能

除了移动能力，显然磁条机器人还需要额外的一项关键能力，那就是到位功能。作为工业机器人的一种，移动机器人的到位精度是非常关键的一项指标。只不过我们这里做的是小成本的磁条机器人，并不是依靠相机和雷达的SLAM的AMR，因此我们的到位功能可以通过另外一种方式来实现，这就是RFID射频技术。

这是我使用的RFID射频模块，截图如下，该模块的具体性能已经在之前篇章介绍过了，这里不进行赘述。

功能3 通信功能

通信能力是机器人的基础功能之一，我们需要有一种方式能够对机器人进行控制。磁条机器人需要通信的模块包括磁传感器和RFID传感器。我们的控制算法以这两个模块为核心，通过两个传感器返回的数据进行机器人相应的控制。

对于需要上位机控制机器人这一需求，我们在控制板上的stm32芯片自带的管脚，使用了一个串口转usb的模块，利用USART串口的RX和TX完成。暂时的，我们没有为机器人增加其他上位机控制的方式。

对于需要远程控制机器人的需求（我的机器人没有用到，但是这部分我会考虑介绍一下），我们实际上可以采用一组232收发模块，发射模块自带天线放置在机器人上，另一端接收模块通过USB口连接到上位机，通过QT的QSerialPort头文件进行一个上位机串口软件的开发。

该功能可以参考QT creator中的示例程序，名字叫做terminal example，里面是QT针对串口通信设计的一个小的窗口程序，之后我会介绍。使用的头文件就是QSerialPort。

#include <QSerialPort>

功能4 充电

机器人需要电池及充电模块。目前我知道的充电方式有三种：手充、接触式充电、无线充电。
手充：这是一种专业的口语，实际上就是将充电变压器，通过220V直接插到机器人上。目前我的机器人采用这种方式，充电效率高，也简单，适合有人在的场景。
接触式充电：机器人上设置正负极，与充电桩的正负极进行接触，完成充电。这种充电方式效率也很高，适合无人场景。不过这种方式适合AMR，并不太适合磁条机器人。同时，这种方式需要设计充电桩，做好安全性设计，即使这样有时还是会有电火花存在。
无线充电：机器人和充电桩上，都安装有线圈，通过磁场产生电压（不专业，不是物理学的）。这种方式挺高级，但实际上并不实用。第一这种方式充电效率极低，对机器人与充电桩的距离有要求，这对本身低廉的磁条机器人的到位精度有很高的要求。第二这种方式没意义啊，你都设计充电桩了，需要机器人停靠的又这么精确，你干脆设计一个接触式充电啊。你看看无线充电的都是什么高级货：iphone、apple watch（虽然我都有吧。。。）

其他必要功能

1. 外壳

外壳需要一个专业的机械结构工程师进行设计。在这一趴未来将是我介绍最简略的部分，因为我除了对机械图纸在solidworks上进行一些简单的修改之外，是一无所知的。好在，我有机械团队的同事，对这个机器人进行了一个非常简单的开发。

这个设计虽然简单，但还是一个比较巧妙和美观的设计。

2. 开关机

开关机实际上，是指的一个成熟机器人的必须——一个开关。这个开关控制着机器人的开关机，控制电池的电什么时候输送给控制板。

我使用的开关按钮是这样的5脚带自锁的金属开关，如图。我还是比较喜欢这种按钮，平时不按的时候是常开的（断开），按下后中间部分会陷进去，然后发亮，同时开关闭合。我平时选绿色的，工程师的自觉，代表没有bug哈哈。

3. 急停

机器人的急停功能，我认为有三种实现方式。

算法主动急停：利用传感器的数据，进行停止的判断。我的机器人使用的是超声传感器和磁条传感器，数据融合进行判断。
机械主动急停：机器人外部机械结构需要增加一条碰撞开关。碰撞开关实际上就是一个开关，一般有常闭和常开两种。
人为主动按停：利用急停按钮，我设计的机器人急停按钮按下后，会断开电机驱动器的输入电压，达到机器人急停的目的。
超声传感器如下：

碰撞开关和急停按钮如下：

4. 避障

在磁条机器人中，由于磁条机器人的移动特性是按照磁条布线进行移动，没有脱离磁条移动的能力，因此避障实际上就是一种主动急停。既然是主动的，我们肯定依然是利用传感器完成，也就是超声传感器及磁条传感器，在这不赘述。

5. 状态显示

机器人需要状态显示的功能，来传达自身当前状态。这里我们用到了之前开发过的WS2812灯带。咱叔不赘述，之后会针对灯带的能力，进行一个状态切换的程序开发。

总结

这一篇文章，大体梳理了如何一个完整磁条机器人所需要的各个模块及功能。接下来，我们会对每个部分进行展开介绍。

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