基于STM32 和ESP32-A1S 的航天主题宣传机器人设计与实现

2024-04-20王莉陈文宇吴宝磊张海天卢炽杏冯瑞

电子制作 2024年7期

王莉，陈文宇，吴宝磊，张海天，卢炽杏，冯瑞

（航天工程大学，北京，101401）

1 背景与意义

中国航天目前正处于迅猛发展的时期，需要大量的人才投身航天事业、建功航天事业。为了向这些航天人致敬，推动航天文化的多元化传播，激发广大有志青年投身航天事业的志向，本文设计了航天主题创意宣传机器人，希望通过机器人表演和宣讲的形式勾起观众的兴趣、通过推广航天文化的创意设计为航天文化的传承和发展注入新的活力，更好地向公众展示这些英勇无畏的航天人的奉献精神和航天精神，唤起更多人对航天人的尊敬和关注，让航天事业在观众中的认知度和影响力得到进一步的扩大。以激励广大有志青年积极投身航天事业，也成为那群在背后默默奉献、无私付出的航天人，为祖国的航天事业贡献出自己的一份力量。本文采用伺服舵机、STM32 单片机和 ESP32-A1S 处理器等材料制作了一个航天主题宣传机器人，起到了宣传航天文化的作用。

2 结构设计

2.1 整体结构

机器人外壳结构由铝合金板构成，通过控制伺服电机来进行关节的转动。机器人整体共15 个伺服电机，即15 个自由度，头部1 个自由度，左右臂各自2 个自由度，左右下肢各5 个自由度。

2.1.1 外壳结构

小组通过定制铝合金板来准备机器人外壳材料，而后通过在铝合金板上打孔，用螺丝把伺服电机、铝合金板连接起来，构成机器人的整体外壳结构。

图1 航天主题创意宣传机器人外壳结构图

2.1.2 伺服舵机

机器人使用的是SH15-M 伺服舵机，SH15-M 舵机是一种小型舵机，尺寸为43.8mm×23mm×31.4mm。它的工作电压范围为8V~15V，重量约为48g。它的耗电低、质量轻、结构紧凑、价格便宜，适合在小型机器人上应用。

表1 舵机具体参数

表2 舵机功能介绍

表3 舵机协议、角度、ID编码介绍

2.2 智能硬件

2.2.1 基于ESP32-A1S 的智能语音模块

（1）语音模块

智能语音模块基于ESP32-A1S 处理器，集成了麦克风、声卡、MP3 格式音频编解码器、TF 存储卡插槽、音频输入接口、音频输出接口、扬声器接口、网络接口、蓝牙。问答指令可以通过计算机传输到TF 卡中，随后将TF 卡插入语音模块上的存储卡插槽，处理器通过读取存TF 卡中的指令来进行问答准备。问题则通过麦克风输入后，声卡将语音信号转换为数字信号，而后通过处理器中的语音识别算法，将其转换成文本格式，再提取出文本格式的问题意图和关键信息与知识库中的数据进行匹配和检索，找到最相关的答案，进行回答。

（2）外接设备

①外接喇叭：用于加大音量；

图2 智能语言模块问答流程图

图3 语言模块及外接喇叭硬件图

②外接麦克风：用于在开阔环境大厅下替代板载集成麦克风，其能够自适应调节强度声音和瞬间冲击音，有效防止语言失真和衰减。

图4 外接麦克风硬件图

（3）实现功能

语音识别、离线智能问答、通过websocket 协议和http 协议后台对接实现的在线智能问答。

（4）模块性能

语音模块性能如表4 所示。

表4 语音模块性能

2.2.2 控制主板

主板操控电机的控制板采用STM32 系列单片机，大部分元器件采用全表贴工艺。控制主板通过控制电机、驱动器和执行器来驱动仿生机器人的关节和肢体，使其执行各种运动。这包括前进、后退、旋转、弯曲和伸展等动作；控制主板通常与传感器接口，以接收来自各种传感器的数据，如位置传感器、速度传感器、加速度传感器和触觉传感器等。这些数据用于调整机器人的运动和行为，以适应不同的环境和条件。控制主板通常也具有安全机制，以保护机器人免受潜在的伤害和损害。这可能包括过载保护、短路保护、温度监控和其他安全措施。此外使用TF卡存储动作数据，数据量大，可靠性强。

在控制主板上，还有一颗型号为CH340 的USB 转串口芯片。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM 联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB 总线。