四足载物箱的设计与实现—整体电路设计.doc

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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计 四足载物箱的设计与实现-整体电路设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程刘志伟学 号：职 称：160404102571宫赟讲师中国珠海二二零年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计四足载物箱的设计与实现-整体电路设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。承诺人签名： 刘志伟 .日期： 2020 年 5 月 12 日四足载物箱的设计与实现-整体电路设计摘 要中国现在也面临着人口老龄化问题，且现状日趋严重，随着人类的年龄增长，身体

2、机能会逐渐退缩，但人是社会性动物，势必有流动性，那么随身携带的行李物件则很有可能成为高龄或不健壮者的较大阻碍，故一款智能便捷的搬运机器人在人们日常生活场景应用中显得尤为有价值，且具有较高的发展前景。我们设计的四足载物箱子体积类比于正常行李箱大小，通过四足爬行，能适应各种复杂地形，无论是平地，阶梯，还是洼地，都能通过超声波进行避障，极大地保障了行进平稳性。其次，还能通过颜色识别，智能跟随使用者，实现即使在人潮拥挤的机场也能紧跟自如。最后，载物箱的启停非常简洁，可以利用手机APP进行蓝牙控制载物箱的启动与否，十分便捷高效。此次我们选用的是树莓派作为载物箱模型的实现基础。而本文也将根据四足载物箱应实

3、现的功能，对硬件部分进行电路分析及设计，包括树莓派及其拓展板电路设计进行原理图分析，同时还会对四足载物箱的PROE模型仿真作出讨论。关键词：电路设计；原理图；树莓派；PROE仿真； Design and implementation of four-legged container robot- overall circuit designAbstractChina is faced with an aging population, now more and more serious and the status quo, as humans age, the body will gradu

4、ally retreat, but people are social animals, and is bound to have liquidity, then carry luggage items are likely to be older or less robust of the larger obstacles, therefore, a smart and convenient handling robots in Peoples Daily life scene is particularly valuable in application, and has high dev

5、elopment prospects.The volume of the four-legged luggage box we designed is similar to the size of a normal suitcase. It can adapt to all kinds of complicated terrains through four-legged crawling. No matter it is flat ground, ladder or depression, it can avoid obstacles through ultrasonic waves, wh

6、ich greatly guarantees the traveling stability.Second, it can also follow the user intelligently through color recognition, so that it can follow the user easily even in crowded airports.Finally, the start and stop of the container is very simple, and the mobile APP can be used to control whether th

7、e container is started or not, which is very convenient and efficient. This time, we chose raspberry pie as the implementation basis of the container model.In this paper, the circuit analysis and design of the hardware part will be carried out according to the functions of the four-legged loading bo

8、x, including the schematic diagram analysis of the circuit design of raspberry PI and its extension board. Meanwhile, the motion simulation of the PROE model of the four-legged loading box will be discussed.Keyword: Circuit design;Schematic diagram;Raspberry pie;PROE simulation;目 录摘 要11 绪论11.1 研究背景及

9、意义11.1.1 研究背景11.1.2 本设计的目的及意义11.2 四足机器人的国内外现状21.3研究的主要内容和目标21.4 本章小结32四足载物箱整体电路设计及PROE仿真的总体方案设计42.1 设计概述42.2 四足载物箱整体电路的设计要求42.3 四足载物箱PROE运动仿真的总体设计52.4本章小结53.重要元器件分析63.1 LX824串行总线电机63.1.1舵机简介63.1.2 舵机的工作原理73.1.3 选择串行总线舵机的理由83.2 USB摄像头93.2.1摄像头介绍93.2.2摄像头控制原理93.3本章小结104四足载物箱整体电路设计114.1 树莓派的简介114.2 树莓派

10、的硬件构成114.3树莓派的电路设计及分析134.3.1输入电源电路134.3.2 主控芯片电路154.3.3 HDMI控制电路174.3.4 树莓派外接串口电路184.3.5 树莓派音频、显示及摄像模块204.3.6 POE 4针针脚供电电路224.3.7 无线与蓝牙模块电路234.4树莓派拓展板的电路设计及分析244.4.1 拓展板串口电路254.4.2 拓展板的总线驱动电路274.4.3 拓展板舵机驱动电路284.5 本章小结295 四足载物箱PROE机构仿真305.1 四足载物箱的机构分析305.2 四足载物箱的运动分析315.3 四足载物箱的PROE仿真过程325.3.1 零件装配及

11、机构参数设置325.3.2机构仿真375.4 本章小结406 结束语416.1 结论416.2展望41参考文献42致 谢43附录1 硬件相关电路原理图44附录2 英文参考文献451.Introduction452.Adaptive Time-Delayed Control Schemes43.Simulation104.Discussion175.Conclusions26References301 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景二十世纪以来，中国经济呈现迅猛增长形势，当代的中国GDP已然位居全球第二位，且仍在不断上升中。但拥有如此大经济基础和人口基数的中国，老龄化问题是一个严

12、重且不可忽视的问题，随着人类年龄的增长，身体各项机能势必会衰退，但人是具有流动性的，出门无关乎年龄长幼，此时随身行李势必会成为不可忽视的较大阻碍，故对于年长者或身体并不健壮者，面对刚需的出行需求，解决行李携带问题便凸显重要性，于是一款智能便携的载物机器人显得十分有意义。但是目前市场上存在的运输机器人都是已轮式，履带式行进居多，这种机器人设计相对简单，承载能力折中，成本可能相对较低，但是缺点也是十分明显无法适应多地形的行进需求，这一点在生活中却尤为常见，故看似简单高效，实则“一波三折”。所以开发一款能够在多地形灵活应对的智能机器人显得尤为必要，经过我们研究分析，四足机器人便是解决这一棘手问题的最

13、佳载体。1.1.2 本设计的目的及意义在当下，出行是一个自然人刚需的存在，但在人口老龄化日趋严重的中国，如何方便老龄人口和体弱不舍者的出行需求，被突显的尤为重要，故一款智能多地形运输机器人显得相当重要。目前，机器人的移动方式主要分为轮圈滚动式，足类步行式，履带行进式等。然而，生活中所面对的大部分应用场景都不是那么“尽人意”，大多数时候都非“一马平川”而概之，故不能为我们日常常见的轮式或履带式机器人所行进。但经过我们的观察，大自然中的许多动物，能够在野外各种复杂的生态环境中“灵巧自如”，这是大自然数万年间自然选择的结果，物竞天择，适者生存，事实证明足类行进的大多数不如动物能够很好的适应野外各种复

14、杂的地形环境，无论是平原还是泥地，坑洼或是沙砾，所以我们从中汲取经验，认定足类步行机器人能够实现我们多地形的搬运要求。现在面临的选择是，足类机器人分为二、四、六足等足数的类型，经过分析，机器人足的数目较多时，更加适合负载情况下的慢速移动，不符合我们的较高移动需求；而二和四足机器人的机构相对精简，移动效率有较大提升，同时再次细分，在负载相当的情况下，四足机器人的稳定性优于二足，所以最终考虑选用四足机器人作为载物箱承载，在合理的承重条件下，能够灵活便捷地实现移动，并且能很好的适应生活场景中各种复杂的地形环境地形，是十分理想的机器人载体选择。1.2 四足机器人的国内外现状20世纪60年代，随着计算机

15、技术革命风暴的掀起，计算机应用的深入研究和各行业普及，对四足机器人的研究正式开始了序幕。1977年，由Frank和McGhee制作完成，世界上第一台可称作真正意义上的四足机器人诞生了，尽管碍于当时的技术有限，由基本的逻辑电路无法完成除基础运动外的稍微复杂动作，但能实现基础的相对稳定步态动作 ，这一实现在当时机器人领域有着标志性的突破。时间来到了20世纪80，90年代，由日本Shigeo Hirose实验室Hirose教授于研制出了四足机器人TITAN系列，成为当时四足机器人领域最具代表性的典例。其最具突破性的创新点在于，通过升级步态信息控制系统，以及在足底安装步态信息传感器，能够将机器人所处地

16、形实时上传分析并作出决策，实现机器人在较为复杂地形中得以适应。反观国内，1991年, JTUWM系列四足步行机器人由我国上海交通大学马培荪教授研制。其创新点在于安装足底测力传感器的同时，创新性与神经网络模拟算法结合，实现通过受力分析和位置感应相结合做出判断，同时，另一点为本次四足机器人的足机构设计采用了3自由度设计，多关节设定能是每一足完成更多的动作形态，实现机器人多地形适应的需求。目前，世界四足机器人的前列水平，要属2016年由波士顿动力公司发行的Spot机器人，这款四足机器人有着优良的独立供电系统，能满足较长时间的户外工作需。先进的足部机构设计，仿造山羊的内弯折设计，提供良好的稳定性，并且

17、搭配先进的驱动系统，已经能与真实动物的灵敏度无异。最为核心的是其头部的激光雷达传感器，能够扫描周围地形，实时分析所处环境并迅速做出反应，综合看，人类四足机器人的研究成果终将对比生物有过之而无不及。1.3研究的主要内容和目标本次设计我们选用了树莓派3B+作为四足载物箱模型的主体控制，舵机选用为LX824串行总线电机。设计过程大体为：根据小组讨论得出的需实现功能，如舵机控制，摄像头避障等，在对树莓派及拓展板的硬件电路分析的基础上，绘制相应原理图，并将各部分模块梳理清晰，其次将实物元件按实际需求原理情况进行对应组装，完成四足载物箱硬件的搭建，其次还会通过PROE对载物箱建模进行运动仿真，观察分析运动

18、状态，以保证运动的相关合理性。本设计要完成的目标：（1） 学习相关书籍、论文和论坛，为识别电子器件原理，原理图绘制和PROE仿真操作打下相应的基础。（2） 根据所学内容完成拓展板Proteus原理图绘制。（3） 对树莓派和拓展板的原理图进行相关分析，梳理运行原理。（4） PROE对建模进行运动仿真，并进行相关分析。1.4 本章小结本章主要是对四足载物箱的背景和现状进行分析得出本设计的必要及合理性，然后分析了本设计的主要内容，分析本设计中整体电路和建模仿真的主要过程和要达到的目标。342四足载物箱整体电路设计及PROE仿真的总体方案设计本次设计主要采用树莓派3B+作为四足载物箱的主控板，辅以树莓

19、派拓展版作为拓展元件驱动，LX824串行总线电机，故需要对树莓派及其拓展版的硬件原理参数，及电路模块做出相应的分析和梳理，详细了解树莓派及其拓展板的运行流程，舵机的参数及使用，以便实际的合理装配及制作。对于PROE部分，对建模进行一定的机构分析，确定运动的类型和方向，进行相应的仿真操作，观察最终的仿真运动效果。2.1 设计概述此次选用的是现在炙手可热的编程“利器”，树莓派是一款可以连接键盘、网线和鼠标，能处理音视频输入HDMI高清输出的微型计算机，以ARM作为硬件架构，SD卡作为储存架构，拥有多个USB接口和以太网连接口，功能发达却能体积小巧。故使用此作为控制机器人的控制主板是十分合适的，其次

20、我们选用的为串行总线舵机，在装配和调试上比起传统的PWM电机更加的方便快捷。在PROE仿真上，将模型进行机构分析，梳理模型运动状态，并用PROE实际操作，将模型的机构仿真实现，便于后续的步态分析。2.2 四足载物箱整体电路的设计要求我们需要能够运用树莓派编程，联动拓展板，控制串行电机的运转，同时调用OPENCV摄像头的反馈，实现颜色识别跟随，与拓展板联动实现超声波避障，并且需要使用蓝牙模块进行无线通信，控制启停。具体的要求如下：（1）可以通过树莓派与拓展驱动板驱动通信，控制串行总线舵机，舵机能按照规定的要求的方向转动相应的角度，并可以通过改变参数去调节舵机的运转速度。（2）可以通过树莓派与OP

21、ENCV摄像头实时通讯，控制实现摄像头的实时颜色识别，及与舵机联动做出反应，完成跟随功能。（3）可以使用树莓派蓝牙模块，与手机APP匹配，实现远程无线载物箱启停。（4）可以使用树莓派超声波模块，对周围障碍进行实时反馈，联动舵机系统进行规避。2.3 四足载物箱PROE运动仿真的总体设计根据已有建模，对四足载物箱进行机构梳理，运动分析，预先模拟出运动形态四足机构的摆动情形，在分析结束后，进行PROE的相关机构仿真操作，完毕后，观察仿真动画效果。2.4本章小结本章主要是对四足载物箱的整体电路设计和PROE仿真进行一个总体方案的概述，罗列了本文要设计的硬件电路的要求，以及PROE所需实现的仿真效果。3

22、.重要元器件分析3.1 LX824串行总线电机3.1.1舵机简介舵机是一种带有输出轴的小型装置，它可以根据控制信号的而转动一定的角度。舵机常用于机器人控制领域，因它能用较少的电能消耗产生较大的转动扭矩。如图3.1，在我们的四足载物箱中，“舵机”是四足机器人足上关节的“肌肉”，用于牵拉“骨骼关节”（转动副），在一条腿中它分布于两处，一个是Z轴的转动副，一个是X轴的转动副，实现单独一条腿的行进运动，是四足载物箱运动的至关重要的一个元件。在本次四足载物箱的设计当中，控制舵机需要额外给扩展板供电，供电范围跟舵机有关，一般为6.4v-8.4v。图3.1 四足机器人舵机一览3.1.2 舵机的工作原理图3.

23、2 舵机内部拆解结构舵机的内部结构如图3.2所示。可以看出舵机由控制电路，马达，一组齿轮和外壳组成。图3.3 舵机外部原理图而在外部，如图3.3所示，舵机通常由电源线（+5V，红色），地线（GND黑色）和PWM控制线（黄色或白色）组成。图3.4是舵机的硬件总剖析。图3.4 舵机总拆解图如图3.5，舵机的工作传输流程为其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。舵机的旋转角度由控制信号的脉冲持续时间所决定。其角度对应的脉冲时间关系如图3.5所示：图3.5舵机旋转角度与脉冲时间对应关系3.1.3 选择串行总线舵机的理由串行总线舵机，顾名思义是一种串联式连

24、接的以总线数据包传输作为传输方式的数字舵机。它能达到更高的控制精度要求，更为便捷的程序控制方式和实时检测反馈功能。如表3.6，是普通舵机于串行总线舵机的差异比较。普通PWM舵机串行总线电机反应灵敏，扭矩大，爆发力，堵住转能力强，但对材料刚度要求高，不适宜四足载物箱的精细结构。总线舵机扭矩适中，符合较小型机构的运动受力及材料刚度需求。由于硬件的结构特性，其控制精度较低，无法满足运动机构的微调需求。尤其在四足载物箱的步态调节方面，显得尤为劣势。总线舵机通过数字信号控制，它的算法及原理机制使得其从精度、扭力、声音、散热、运行顺畅度等各个层面上都有质的提升。十分合适当前的四足载物箱控制需求。采用并联式

25、连接，所需接入IO口较多，接线复杂，调试及问题排查过程极其繁琐。在本四足载物箱的动作要求中显得极其不合适。总线舵机采用串联控制，运用一组数据能控制多台舵机的启停动作，在接线精简，故障排查更为轻易方便的同时，对于四足载物箱步态调节方面有着尤其便捷高效的意义表3.6普通舵机和串行总线舵机对比3.2 USB摄像头3.2.1摄像头介绍如图3.7，我们选用的是与树莓派搭配的USB摄像头，该摄像头支持MJPG格式输出且焦距可调，在占用较少数树莓派运算资源的前提下，提供480P，30FPS的高清晰度低延迟图像，在原理上可以实现颜色识别，实现我们四足载物箱的跟踪功能。同时，其使用操作简单，将USB接口与树莓派

26、摄像头端口相接便可运作，极大的方便了我们组装过程。图3.7 树莓派搭载摄像头3.2.2摄像头控制原理OpenCV是一个能跨平台运行的计算机视觉库，它的体量构造精简，运行高效，提供Python，Matlab等语言的编辑接口，可以高效地实现图形处理及相应的计算机视觉算法应用。此次四足载物箱的设计基于OpenCV操作，OpenCV作为计算机视觉库，是机器人的视觉处理中枢，而摄像头就像人类的眼睛，将外界观察到的采样图像，以数据的形势传输回CPU，由CPU在视觉数据库里进行分析反馈处理。首先将USB摄像头成功安装上树莓派后，我们需要根据USB摄像头的采样数据，用Python对树莓派进行编程，调用视觉库的

27、相关程序，对外界环境进行分析，实现四足载物箱的避障功能。3.3本章小结本章是对四足载物箱所需用到的两种重要元器件舵机和摄像头的硬件和功能分析，包括舵机原理的阐释，控制的基础，以及PWM舵机和串行电机的优劣选取。USB摄像头的解释，使用方法和控制逻辑。4四足载物箱整体电路设计4.1 树莓派的简介 树莓派是一款卡片式的微型电脑，由英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发，宗旨是能让更多欠发达地区享受计算机编程的魅力。树莓派本质上来说并不是一台“合格”的电脑。更确切地说，它也是单片机家族的一员。按常理说，单片机的信息处理能力相对较快，这一特性体现在其I/O口的控制效率上，但同时它的CP

28、U运算能力较弱，无法胜任较为复杂的程序运算。但有意思的是，单片机作为一个“中和者”，它的CPU计算速度不如PC 机，I/O口的控制效率比不上一般单片机，但它却是一个“集大成者”，拥有两者的特性，能在折中的情况下赋予用户更多的选择，能在树莓派上运行Python，Java等计算机语言，给用户一个更加方便高效的平台。4.2 树莓派的硬件构成图4.1树莓派硬件板正面简述图4.2树莓派硬件板背面一览如图4.1，4.2所示，此次我们选用的是树莓派版本3B+, 与它的“前辈”相比，拥有了更多硬件上的升级。首先是拥有较为前代更加高频的CPU芯片，能过赋予树莓派更高的计算响应速率，意味着可以畅通运各复杂的程序指

29、令，这对于需要实现摄像避障，舵机控制的我们来说是极为合适的。同时其CPU中的时钟频率相较于之前提升了 200MHz,能够实现更为精准的逻辑控制，无线传输量大致为上一代的3倍，这一保证了手机APP无线控制的稳定性，当然，在如此硬件提升的同时，对于芯片的散热也必不可少，这一代的芯片温度控制比前代更为精准高效，保证芯片及其硬件电路的安全性。下表是我们选用树莓派3B+的详细参数：主板核心博通BCM2837B0 SoC，集成四核ARM Cortex-A53（ARMv8）64位 1.4GHz CPU，集成博通 Videocore-IV GPU内存1GB LPDDR2 SDRAM有线网络千兆以太网（通过US

30、B2.0通道，最大吞吐量 300Mbps无线网络2.4GHz和5GHz 双频Wi-Fi，支持802.11b/g/n/ac蓝牙蓝牙4.2&低功耗蓝牙（BLE）存储Micro-SD其他接口HDMI，3.5mm模拟音频视频插孔，4x USB 2.0，以太网，摄像机串行接口（CSI），显示器串行接口（DSI），MicroSD卡座，40pin扩展双排插针尺寸82mmx 56mmx 19.5mm，50克4.3树莓派的电路设计及分析如图3.3所示为树莓派整体硬件电路配置，接下来将会根据树莓派原理图进行电路功能设计及分析。图4.3 树莓派硬件板分布及参数一览4.3.1输入电源电路图4.4 树莓派输入电源电路原

31、理图如图4.4所示，树莓派3B+的主要电源电压型号主要有5V，3V3,1V8,此处总供电源输入端电压为5V, 而其中0103594-0001LF 为供电输入端Mico USB，经查询得知，此款Mico USB仅提供输入电源作用，无USB串口，不带有数据传输功能，在电源输入端1号延展线处可以发现元件MF-MSMF250/X，其功能为自恢复保险丝，其同型号元件型号MSMF250/16，具体参数如表4.5所示：表4.5 MSMF250/16参数详解从图4.6中可以看出该保险丝最大耐压16V，持续通过电流高达2.5A，峰值电流为5A。能满足树莓派电源输入的日常使用的安全保险需要。在输入接口右侧，D7瞬

32、态抑制二极管（TVS管）SMBJ5.0A，其功能为静电过压保护，能实现5V稳压。下表4.6为该器件的详细参数表4.6 SMBJ5.0A参数表 该电路的设计思路为，树莓派的供电输入由USB端口接入，给整机提供电源，而电源端口的接地和其中1号接口接入处有PP母端设置，满足树莓派其他元件的供电和接地需要。在1号延展线处设置有MF-MSMF250/X自动恢复保险丝，保证树莓派的电源输入不会因为短路或过载而产生主板损坏，而由于自动恢复保险丝的特性，在故障排除后，能够自动恢复通路，保证主板运行，方便故障排修和日常使用。对于我们此次的四足载物箱而言，给予了四足载物箱电源输入充分的稳定性及安全性保障。4.3.

33、2 主控芯片电路图4.7 树莓派主控芯片原理图图4.8 树莓派时钟电路控制芯片原理图图4.7为树莓派主控BCM2837B芯片，为博越公司生产的64位的1.4GHz四核ARM Cortex-A5芯片，内集成博通 Videocore-IV GPU，具有高效的信息处理速度，强大的图形运算能力，能满足快速响应的实时数据运算及相关显示需要。图4.8 U5N BCM2837B 是主控芯片的时钟电路控制芯片，众所周知，CPU时序控制有两种控制模式，一是内部控制模式，利用芯片内部的振荡电路控制时序逻辑,产生时钟信号；另一种为外部控制模式，时钟信号由外部引入。主控芯片电路作为四足载物箱系统控制的“神经中枢”，负

34、责整个四足载物箱各功能运行的数据处理与元件的工作协调。其电路设计思路围绕着时钟控制和内部各元件的串口通信。在主控芯片处设置有28个GPIO口，为提供主板内各元件进行数据交换的硬件基础，芯片上方设有两个VDDIO2引脚，为芯片IO口进行单独供电，使得芯片IO口能够灵活调节，适应不同电平的输入信号。同时芯片左上角处设有两接口ID_SD，ID_SC，此为ID EEPROM预留的专用引脚，为该芯片提供IC2通讯协议支持，使得主控芯片支持数据高速传输。时序控制电路作为四足载物箱的“心脏”，控制着CPU执行数据的时序运行指令。时钟作为整个系统的同步信号，对系统中数据、地址和控制总线的响应起着至关重要的命令

35、作用。在我们四足载物箱中，四足的步态控制，即是舵机的时序调节更显得尤为重要，每个细微的时序脉冲变化即带来舵机的转动角度微调，最终实现一系列的运动要求。树莓派时序电路设计具有极高的可靠稳定性，模块右侧设有XTALN 、XTALP引脚，由XTALN 、XTALP引脚的高低电平搭配，可以引入外部振荡源进行树莓派时钟信号设置。在XTALN 、XTALP引脚之间接有一个19.2M的晶振，同时搭配两引脚处的电容，使得振荡更加稳定，从而保证树莓派时钟控制的稳定性。下表为管脚对应功能：管脚名称功能描述PLL_1V81V8锁相环PLL_VDDVDD锁相环XOSC_VDDVDD外部时钟晶振RUN运行引脚AGND_

36、13模拟地13引脚AGND_14模拟地14引脚XTALNNMOS晶体管外部振荡引入控制XTALPPMOS晶体管外部振荡引入控制4.3.3 HDMI控制电路图4.9 树莓派HDMI电路原理图图4.9为HDMI电路原理图，意味着树莓派能够发送和接收未压缩的音频及视频信号。RT9741CGV为显示器高压驱动芯片，这一芯片的主要用途是为树莓派 HDMI转VGA转换线提供合适的电压，保证外设运行的稳定性。在四足载物箱中用于外接显示屏连接，用于查看四足载物箱的当下参数状态，使用情况，以及相关功能的调试使用显示等，是四足载物箱向外本机信息表达多媒体的“窗口”。表4.10为管脚详细：管脚名称管脚序号功能描述H

37、DMI_T2P1HDMI T2 P型晶体管存储器的字节分组HDMI_T2N3HDMI T2 N型晶体管存储器的字节分组HDMI_T1P4HDMI T1 P型晶体管存储器的字节分组HDMI_T1N6HDMI T1 N型晶体管存储器的字节分组HDMI_T0P7HDMI T0 P型晶体管存储器的字节分组HDMI_T0N9HDMI T0 N型晶体管存储器的字节分组HDMI_CKP10HDMI差分时钟+引脚HDMI_CKN12HDMI差分时钟-引脚HDMI_CEC13HDMI_CEC协议开启HDMI_SCL15HDMI数据控制引脚HDMI_SDA16HDMI数据传输引脚HDMI_HPD19HDMI热插拔

38、检测引脚表4.10管脚详解4.3.4 树莓派外接串口电路图4.11 树莓派串口电路原理图图4.11为树莓派的扩展接口，该电路共设计有40个GPIO引脚，为提供外接设备的输入。例如外加拓展板、SPI显示屏、串口屏、各类传感器等等，是树莓派功能延伸与硬件拓展的连接枢纽。我们此次四足载物箱中需要在其拓展板上实现的诸多功能，需如主动跟随涉及的摄像头颜色感知，步态控制关联的拓展板舵机控制、超声避障及外接显示屏显示等功能皆需要将相关的元器件从此接入，与树莓派主板联动控制，是树莓派与拓展板相互交流的媒介。表4.12是接口板的参数配置：管脚名称管脚序号功能描述SDA13数据输入线SCL15数据输入控制线GPI

39、O_GCLK7全局时钟控制引脚SPI_SCLK23串行外设接口时钟引脚SPI_CE0_N24串行外设接口片选信号输入线GPIO_GEN518USB外设接口GPIO_GEN416USB外设接口SPI_CE1_N26串行外设接口片选信号输入线GPIO_GEN622USB外设接口GPIO_GEN112USB外设接口TXD08数据发送GPIO_GEN213USB外设接口GPIO_GEN315USB外设接口SPI_MISO21主机输入从机输出GPIO_GEN011USB外设接口SPI_MOSI19主机输出从机输入表4.12管脚详解4.3.5 树莓派音频、显示及摄像模块图4.13树莓派显示模块原理图图4.

40、14树莓派摄像头模块电路原理图图4.15树莓派音频模块原理图图4.13，图4.14，图4.15为树莓派的显示、摄像及音频处理模块。树莓派搭载显示器串行接口（DSI），能够控制树莓派实时信息显示，与显示拓展元件连接，将所需参数和状态在拓展显示上呈现。树莓派拥有摄像机串行接口（CSI），能与OPENCV摄像头对接，将识别图像传回主芯片进行实时运算并完成相应反馈。树莓派搭载3.5mm模拟音频视频插孔，可以进行音频模拟信号的输入输出。此次四足载物箱中的外接显示屏的实现需要以此为基础，将各元件的运作参数经过芯片分析后作为显示数据源在外接屏上显示。树莓派显示模块电路的设计思路为，在该模块的左侧设置有1对源

41、同步的差分时钟以及2对差分数据线来实现显示模块与芯片的串口通信。其对应的引脚DSI1_DN0, DSI1_DP0, DSI1_DN1,DSI1_DP1, DSI1_CN, DSI1_CP。同时设置有SDA双向数据线和SCL时钟控制线，控制数据信号的启停与频率。四足载物箱实现颜色识别跟随而选用的Opencv摄像头以此为电路基础，将摄像头前端采样数据经串口通信，与芯片高效互联，对采样数据高速分析，实现数据的实时反馈，从而达到低延时的跟随效果。树莓派摄像模块的设计思路与显示模块相似，采用差分时钟及数据线来进行摄像模块与芯片的串口通信，对应引脚为CAM1_DN0, CAM1_DP0,CAM1_DN1,

42、CAM1_DP1, CAM1_CN, CAM1_CP。同样设置有SDA双向数据线和SCL时钟控制线，控制数据信号的启停与频率。 树莓派音频模块的设计思路为，在双PWM输入线接入后，通过一个双通道缓冲器，保证PWM信号输入的稳定。同时在电路模块的右下方设置有BAV99元件，内含两个方向相反的二极管，用于防止静电干扰，保护信号处理稳定。4.3.6 POE 4针针脚供电电路图4.16 树莓派POE模块原理图如图4.16，POE (Power Over Ethernet)的含义为，在不改变当下网络布线基础架构的基础上，保证IP终端能够流畅地进行数据传输前提下，能安全地同时为设备提供实时充电的技术。此功

43、能的开启需要拓展的驱动版开启。这一功能极大的保证了在需要对四足载物箱进行联机编程时的续航能力，对于此次设计而言，所涉及的功能并不精简，如舵机控制，颜色实时跟随，超声避障等，在长时间的编程需求下安全而稳定地解决续航问题便显得尤为突出，而POE技术正是解决问题的利器所在。该电路的设计思路为，由TRN,TRP的两对引脚构成的上下层传输网络，通过网络变压器元件对网络和电源电信号进行相关电压、信号的分频，将桥式整流，将直流电与以太网数据信号区分为不同的频率，接着分离出来的电压会通过桥式整流电路进行整流通电，保证数据和电源同时传输的稳定性。 4.3.7 无线与蓝牙模块电路如图4.17，表4.18所示树莓派

44、3B+采用Cypress CYW43455作为无线与蓝牙传输模块的芯片。该芯片提供更加高性能 的WIFI连接，同时有更大的连接动态范围，高效的信息传输能力，并且能实现蓝牙状态下的音视频流媒体的实时传输。蓝牙模块是我们四足载物箱无线通讯的基础。用于载物箱APP控制，蓝牙通讯，能够实现高效稳定的远程四足载物箱启停控制。图4.17树莓派蓝牙芯片原理图管脚名称功能描述WL_REG ON无线网络基准电压开启UART通用异步收发传输器SDIO安全数字输入输出卡COEX外部输入信号共存BT_REG_ON蓝牙基准电压开启保持GPIO上电UART通用异步收发传输器PCM脉冲编码调制BT_DEV_WAKE蓝牙振荡

45、器唤醒输入BT_HOST_WAKE蓝牙主CPU唤醒5 GHz WLAN Tx5 GHz无线数据发送5 GHz WLAN Rx5 GHz无线数据接收2.4 GHz WLAN Tx2.4 GHz无线数据发送2.4 GHz WLAN/BT Rx2.4 GHz无线及蓝牙数据接收Bluetooth Tx蓝牙数据发送VIO输入数字电压VBAT断电寄存器表4.18管脚详解4.4 树莓派拓展板的电路设计及分析图4.19 树莓派拓展板硬件一览四足载物箱的功能实现需要树莓派控制及各拓展功能硬件元件如总线舵机，超声波元件等等构成，故树莓派拓展板作为辅助，必不可少。图4.19为树莓派拓展板的硬件图，本次我们选用的拓展板建有8路带过流保护的PWM舵机接口，能够有效保护舵机，且内置单总线串口电路，可直接控制串口舵机，其用两个可编程LED，清晰展示系统工作状态，以及预留了IIC接口和UART接口，可以方便的拓展各种传感器。4.4.1 拓展板