PCB圖如下：

描述

SwarmUS - 一個(gè)群體機(jī)器人平臺(tái)

團(tuán)隊(duì)

SwarmUS 是一個(gè)由 9 名來(lái)自舍布魯克大學(xué)的工程專業(yè)學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)，他們的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)時(shí)間定于 2021 年 12 月結(jié)束。SwarmUS 在工程領(lǐng)域擁有多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，因?yàn)槠涑蓡T來(lái)自計(jì)算機(jī)、電氣和機(jī)器人工程。

該項(xiàng)目

該項(xiàng)目旨在建立一個(gè)開(kāi)放的軟件和硬件平臺(tái)（分別為 Hivemind 和 Hiveboard），允許實(shí)施機(jī)器人群，從異構(gòu)機(jī)器人和 Android 智能手機(jī)進(jìn)行同步定位和映射 (SLAM)[1]。Android 手機(jī)可以用作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面來(lái)查看生成的共享地圖，也可以用作機(jī)器人群的控制界面。這項(xiàng)技術(shù)突破正在一個(gè)重大工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目中進(jìn)行，并將在 2021 年 MegaGéNIALE 博覽會(huì)上展示。該項(xiàng)目本質(zhì)上是學(xué)術(shù)性的，將由機(jī)器人研究小組 IntRoLab[3] 的 3IT[2] 的客戶使用。

什么是 MégaGéNIALE 博覽會(huì)？

MégaGéNIALE Expo 是加拿大最大的大學(xué)工程項(xiàng)目展覽。這是一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來(lái)發(fā)現(xiàn)每個(gè)工程領(lǐng)域的畢業(yè)生的工作，即：建筑、土木、化學(xué)、生物技術(shù)、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械和機(jī)器人技術(shù)。該活動(dòng)每年吸引約 4,000 人參加。有關(guān)活動(dòng)的更多信息和往年活動(dòng)的照片，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)以下頁(yè)面：

機(jī)器人部分

先鋒 2DX 機(jī)器人

SwarmUS 團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是更新其客戶實(shí)驗(yàn)室 (IntRoLab) 未使用的兩臺(tái)舊 Pioneer 2DX。這些機(jī)器人不僅會(huì)返還給客戶，還會(huì)作為基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)測(cè)試我們的 swarm 平臺(tái)。由于這些機(jī)器人的電子設(shè)備和軟件已經(jīng)過(guò)時(shí)，因此需要對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行全面升級(jí)，只保留底盤和電機(jī)。

力量

機(jī)器人由 12V GOOLOO GP37-Plus LiPo 電池供電。這些電池具有一些內(nèi)部保護(hù)和集成充電器，從而簡(jiǎn)化了圍繞機(jī)器人電源的設(shè)計(jì)。但是，需要額外的欠壓保護(hù)，以防止機(jī)器人將電池電量耗盡至低于 LiPo 電池的電壓限制。

欠壓鎖定板

然后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)包含欠壓鎖定 (UVLO) 和電壓監(jiān)控電路的定制 PCB。該解決方案在電壓降至選定閾值以下時(shí)會(huì)發(fā)出高音，并在另一個(gè)較低閾值以下打開(kāi)主電源繼電器。

電力調(diào)配

電源樹分為 3 個(gè)主要部分：12V 主電源、12V 電機(jī)電源和 5V 計(jì)算機(jī)電源。一個(gè)由撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和 UVLO 板控制的主繼電器將電池連接到 12V 主電源，該主電源反過(guò)來(lái)為 5V@5A 穩(wěn)壓器和另一個(gè)控制電機(jī)電源的繼電器供電。電機(jī)繼電器由紅色蘑菇按鈕控制，可在緊急情況下輕松切斷電機(jī)的 12V 電源。5V 穩(wěn)壓器為主計(jì)算機(jī)和所有機(jī)器人傳感器供電。

傳感器、計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制器

機(jī)器人大腦是在 Linux 20.04.1 LTS 上運(yùn)行的 Raspberry Pi 4 4GB。為了感知其環(huán)境，機(jī)器人配備了 RPLidar A2M8 以可視化其周圍的障礙物，并配備了 Realsense D435i 或 Realsense D455，具體取決于機(jī)器人，以獲得其前方場(chǎng)景的視覺(jué)和深度信息。除了傳感器之外，BasicMicro 的 RoboClaw 2x60A 還用作電機(jī)控制器，因?yàn)樗哂袃?nèi)置保護(hù)、PID 控制和正交編碼器讀取功能。電機(jī)控制器和所有傳感器通過(guò) USB 連接到 Rasberry Pi。此外，Hiveboard 和 BeeBoards 被集成到機(jī)器人中，并通過(guò)以太網(wǎng)連接到 Raspberry Pi，為機(jī)器人提供必要的硬件來(lái)加入一個(gè)群體。

機(jī)械改裝

電子元件和計(jì)算機(jī)由采用激光切割技術(shù)制成的木板進(jìn)行維護(hù)，以完美貼合機(jī)器人狹窄的內(nèi)部。機(jī)器人的傳感器支撐和側(cè)面板是 3D 打印的，為我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中提供了更大的靈活性。

機(jī)器人軟件

Raspberry Pi 在 ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）中間件中運(yùn)行所有機(jī)器人的軟件。在傳感器、導(dǎo)航堆棧和 RTAB-Map 的幫助下，機(jī)器人可以在其環(huán)境中移動(dòng)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行映射并在其中定位自己。團(tuán)隊(duì)制作了額外的 ROS 包，以將 ROS 環(huán)境連接到在 HiveBoard 上運(yùn)行的 HiveMind，讓群體行為控制機(jī)器人。

我們的一個(gè)機(jī)器人制作的地圖

硬件部分

以下部分將詳細(xì)介紹 SwarmUS 項(xiàng)目的 3 塊 PCB：

· HiveSight：Decawave 超寬帶 (UWB) 集成電路 (IC) DW1000 的測(cè)試平臺(tái)

· Hiveboard：上一次迭代的中心板

· BeeBoard：UWB“傳感器”

HiveSight

如前所述，HiveSight 是團(tuán)隊(duì)的測(cè)試平臺(tái)。它證實(shí)該團(tuán)隊(duì)可以使用我們可以使用的設(shè)施來(lái)制作功能正常的 PCB（從設(shè)計(jì)到測(cè)試）。它也是 UWB 技術(shù)的測(cè)試平臺(tái)。讓我們回顧一下董事會(huì)：

1、保護(hù)：具有過(guò)壓、過(guò)流、反極性功能

2. USB：USB IC打開(kāi)一個(gè)COM端口用于調(diào)試目的。它連接到 u-USB 端口

3. 3V3&1V8 Gen：板載 3v3 和 1v8 電源軌生成。1.8V 來(lái)自 3.3V 電源軌。板上的所有組件都使用 3.3V 電源軌。只有 Decawave IC DW1000 使用 1.8V 電源軌。

4. IMU：慣性測(cè)量單元

5. WROOM 復(fù)位：ESP32-WROOM 的物理按鈕（位于 PCB 的底部） ESP32-WROOM 是一個(gè) Wi-Fi IC。

6. Flash 32k：32 Kb閃存。由我們的 ESP32 定制解決方案使用。

7. ESP32：ESP32（Wi-Fi IC）的自定義實(shí)現(xiàn)。此實(shí)現(xiàn)用于在我們的自定義實(shí)現(xiàn)和 WROOM IC 之間進(jìn)行比較。

8. CLK Gen：為 DW1000 生成 38.4MHz 時(shí)鐘。還包括兩個(gè) DW1000 的同步信號(hào)。

9. DW1000：超寬帶IC。用于定位其他 HiveSight 的距離和角度。每個(gè) DW100 有 4 個(gè) LED 用于調(diào)試目的。

我們對(duì) DW1000s 的實(shí)施基于 decawave 發(fā)布的白皮書，并且在我編寫這些行時(shí)正在由我們的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行測(cè)試。但是，我們確實(shí)設(shè)法在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)了一些錯(cuò)誤。

5V 電源軌可以來(lái)自 2 個(gè)不同的地方：

· 從左上角的綠色連接器

· 從 u-USB 連接器

此外，3.3V 電源可以來(lái)自 3V3 電源軌或由 Nucleo 供電。Hivesight 還可以為 Nucleo 提供 5V 或 3.3V 電壓。然而，在測(cè)試我們的設(shè)計(jì)時(shí)，我們注意到當(dāng) Nucleo 向 HveSight 提供 3V3 電壓時(shí)，它會(huì)閃爍過(guò)電流警告。我們建議為 HiveSight 使用單獨(dú)的（如綠色連接器/u-USB 連接器）電源。

HiveSight 和 Nucleo 之間的 SPI 通信有點(diǎn)不足，因?yàn)槲覀冊(cè)诓季€時(shí)沒(méi)有正確處理 SPI 線路（從上到下變化太多），并且接地回路不是最小的。我們沒(méi)有正確連接 HiveSight 的每個(gè)連接器的接地，這會(huì)減慢 SPI 總線。我們可以做的總線的最大速度是 1Mbit/s 的數(shù)據(jù)。

到COM口IC的USB線切換了正負(fù)數(shù)據(jù)線，導(dǎo)致COM口出錯(cuò)。我們建議通過(guò)移除 ESD 保護(hù)并焊接一些導(dǎo)線來(lái)更改設(shè)計(jì)或以正確的順序放置數(shù)據(jù)線。在我們的實(shí)現(xiàn)中，這是我們使用的方法，并在頂部涂上熱膠以防止意外斷開(kāi)連接。

此外，IMU 從未安裝在我們的版本上，因?yàn)樽阚E沒(méi)有焊膏開(kāi)口，因此沒(méi)有焊料，并且該部件從未連接到電路板。這個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤將在下一個(gè)實(shí)現(xiàn)中修復(fù)：Hiveboard。

HiveSight 設(shè)計(jì)用于與 STM32F429ZIT Nucleo 一起使用（盡管絲印上提到了 STM32F426，這是我們的另一個(gè)錯(cuò)誤）。

所有文件（原理圖、BOM、PCB、Gerbers）都在 Github 鏈接中。

更多詳情：https ://github.com/SwarmUS

代碼

Git 上的代碼

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