SwarmUS群体机器人平台

PCB图如下：

描述

SwarmUS - 一个群体机器人平台

团队

SwarmUS 是一个由 9 名来自舍布鲁克大学的工程专业学生组成的团队，他们的学士学位毕业时间定于 2021 年 12 月结束。SwarmUS 在工程领域拥有多学科专业知识，因为其成员来自计算机、电气和机器人工程。

该项目

该项目旨在建立一个开放的软件和硬件平台（分别为 Hivemind 和 Hiveboard），允许实施机器人群，从异构机器人和 Android 智能手机进行同步定位和映射 (SLAM)[1]。Android 手机可以用作增强现实界面来查看生成的共享地图，也可以用作机器人群的控制界面。这项技术突破正在一个重大工程设计项目中进行，并将在 2021 年 MegaGéNIALE 博览会上展示。该项目本质上是学术性的，将由机器人研究小组 IntRoLab[3] 的 3IT[2] 的客户使用。

什么是 MégaGéNIALE 博览会？

MégaGéNIALE Expo 是加拿大最大的大学工程项目展览。这是一个独特的机会来发现每个工程领域的毕业生的工作，即：建筑、土木、化学、生物技术、电气、计算机、机械和机器人技术。该活动每年吸引约 4,000 人参加。有关活动的更多信息和往年活动的照片，请访问以下页面：

机器人部分

先锋 2DX 机器人

SwarmUS 团队的任务是更新其客户实验室 (IntRoLab) 未使用的两台旧 Pioneer 2DX。这些机器人不仅会返还给客户，还会作为基准测试来测试我们的 swarm 平台。由于这些机器人的电子设备和软件已经过时，因此需要对该机器人进行全面升级，只保留底盘和电机。

力量

机器人由 12V GOOLOO GP37-Plus LiPo 电池供电。这些电池具有一些内部保护和集成充电器，从而简化了围绕机器人电源的设计。但是，需要额外的欠压保护，以防止机器人将电池电量耗尽至低于 LiPo 电池的电压限制。

欠压锁定板

然后，该团队设计了一个包含欠压锁定 (UVLO) 和电压监控电路的定制 PCB。该解决方案在电压降至选定阈值以下时会发出高音，并在另一个较低阈值以下打开主电源继电器。

电力调配

电源树分为 3 个主要部分：12V 主电源、12V 电机电源和 5V 计算机电源。一个由拨动开关和 UVLO 板控制的主继电器将电池连接到 12V 主电源，该主电源反过来为 5V@5A 稳压器和另一个控制电机电源的继电器供电。电机继电器由红色蘑菇按钮控制，可在紧急情况下轻松切断电机的 12V 电源。5V 稳压器为主计算机和所有机器人传感器供电。

传感器、计算机和电机控制器

机器人大脑是在 Linux 20.04.1 LTS 上运行的 Raspberry Pi 4 4GB。为了感知其环境，机器人配备了 RPLidar A2M8 以可视化其周围的障碍物，并配备了 Realsense D435i 或 Realsense D455，具体取决于机器人，以获得其前方场景的视觉和深度信息。除了传感器之外，BasicMicro 的 RoboClaw 2x60A 还用作电机控制器，因为它具有内置保护、PID 控制和正交编码器读取功能。电机控制器和所有传感器通过 USB 连接到 Rasberry Pi。此外，Hiveboard 和 BeeBoards 被集成到机器人中，并通过以太网连接到 Raspberry Pi，为机器人提供必要的硬件来加入一个群体。

机械改装

电子元件和计算机由采用激光切割技术制成的木板进行维护，以完美贴合机器人狭窄的内部。机器人的传感器支撑和侧面板是 3D 打印的，为我们在设计过程中提供了更大的灵活性。

机器人软件

Raspberry Pi 在 ROS（机器人操作系统）中间件中运行所有机器人的软件。在传感器、导航堆栈和 RTAB-Map 的帮助下，机器人可以在其环境中移动，同时对其进行映射并在其中定位自己。团队制作了额外的 ROS 包，以将 ROS 环境连接到在 HiveBoard 上运行的 HiveMind，让群体行为控制机器人。

我们的一个机器人制作的地图

硬件部分

以下部分将详细介绍 SwarmUS 项目的 3 块 PCB：

· HiveSight：Decawave 超宽带 (UWB) 集成电路 (IC) DW1000 的测试平台

· Hiveboard：上一次迭代的中心板

· BeeBoard：UWB“传感器”

HiveSight

如前所述，HiveSight 是团队的测试平台。它证实该团队可以使用我们可以使用的设施来制作功能正常的 PCB（从设计到测试）。它也是 UWB 技术的测试平台。让我们回顾一下董事会：

1、保护：具有过压、过流、反极性功能

2. USB：USB IC打开一个COM端口用于调试目的。它连接到 u-USB 端口

3. 3V3&1V8 Gen：板载 3v3 和 1v8 电源轨生成。1.8V 来自 3.3V 电源轨。板上的所有组件都使用 3.3V 电源轨。只有 Decawave IC DW1000 使用 1.8V 电源轨。

4. IMU：惯性测量单元

5. WROOM 复位：ESP32-WROOM 的物理按钮（位于 PCB 的底部） ESP32-WROOM 是一个 Wi-Fi IC。

6. Flash 32k：32 Kb闪存。由我们的 ESP32 定制解决方案使用。

7. ESP32：ESP32（Wi-Fi IC）的自定义实现。此实现用于在我们的自定义实现和 WROOM IC 之间进行比较。

8. CLK Gen：为 DW1000 生成 38.4MHz 时钟。还包括两个 DW1000 的同步信号。

9. DW1000：超宽带IC。用于定位其他 HiveSight 的距离和角度。每个 DW100 有 4 个 LED 用于调试目的。

我们对 DW1000s 的实施基于 decawave 发布的白皮书，并且在我编写这些行时正在由我们的团队进行测试。但是，我们确实设法在设计中发现了一些错误。

5V 电源轨可以来自 2 个不同的地方：

· 从左上角的绿色连接器

· 从 u-USB 连接器

此外，3.3V 电源可以来自 3V3 电源轨或由 Nucleo 供电。Hivesight 还可以为 Nucleo 提供 5V 或 3.3V 电压。然而，在测试我们的设计时，我们注意到当 Nucleo 向 HveSight 提供 3V3 电压时，它会闪烁过电流警告。我们建议为 HiveSight 使用单独的（如绿色连接器/u-USB 连接器）电源。

HiveSight 和 Nucleo 之间的 SPI 通信有点不足，因为我们在布线时没有正确处理 SPI 线路（从上到下变化太多），并且接地回路不是最小的。我们没有正确连接 HiveSight 的每个连接器的接地，这会减慢 SPI 总线。我们可以做的总线的最大速度是 1Mbit/s 的数据。

到COM口IC的USB线切换了正负数据线，导致COM口出错。我们建议通过移除 ESD 保护并焊接一些导线来更改设计或以正确的顺序放置数据线。在我们的实现中，这是我们使用的方法，并在顶部涂上热胶以防止意外断开连接。

此外，IMU 从未安装在我们的版本上，因为足迹没有焊膏开口，因此没有焊料，并且该部件从未连接到电路板。这个简单的错误将在下一个实现中修复：Hiveboard。

HiveSight 设计用于与 STM32F429ZIT Nucleo 一起使用（尽管丝印上提到了 STM32F426，这是我们的另一个错误）。

所有文件（原理图、BOM、PCB、Gerbers）都在 Github 链接中。

更多详情：https ://github.com/SwarmUS

代码

Git 上的代码

https:///www.github.com/swarmus