第1章 机器人系统基础

1 第 1 章 机器人系统基础

1.1 本章知识导图

图 1-1 从上述流程图可以看出本章知识导图的关键步骤与判断逻辑，这对正确实现相关功能至关重要。

1.2 课程学习的意义

表 1-1 学习机器人控制技术，能建立从普通思维到计算机思维，再到机器人思维的认知升级：

思维层次	解题示例	核心方法
普通思维	代数求解 $y=f(x)$ 极值	数学公式推导
计算机思维	暴力搜索 / 梯度下降求极值	算法 + 算力
机器人思维	小车沿黑线行驶的 PID 控制	传感器 + 控制 + 执行

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1.3 嵌入式系统的体系结构

嵌入式系统作为一种专用的计算机系统，其基本构成同样是硬件和软件的综合体。体系结构框架由下至上分为四个层次：

图 1-2 上图直观呈现了嵌入式系统的体系结构的组成要素与数据通路，有助于理解系统整体的工作机理。

表 1-2 嵌入式系统的体系结构

层次	对应通用计算机	嵌入式系统中的具体内容
硬件层	硬件系统	SOC/MCU、Flash/SRAM、GPIO、ADC/DAC、定时器
中间层	设备驱动	BSP/HAL 库封装，隐藏寄存器细节
系统软件层	操作系统	RTOS（FreeRTOS）、LwIP 网络栈、FatFS 文件系统
应用软件层	应用程序	PID 控制、卡尔曼滤波、SLAM、机器学习

具体组成推导如下：

1. 硬件层：相当于计算机的硬件系统。在嵌入式系统中，它主要包含微处理器（如 SOC 单片机）、存储器（ROM、RAM/Flash）以及外部设备和 I/O 端口等，是整个系统运行的物理与物质基础。
2. 中间层（BSP/HAL 硬件抽象层）：这是嵌入式系统特有的承上启下层。由于嵌入式硬件种类繁多，中间层负责将硬件接口细节隐藏抽象化，相当于为上层的操作系统提供了一个统一的虚拟硬件平台，包含了底层硬件的初始化、设备驱动等功能。
3. 系统软件层：对应通用计算机的操作系统。在嵌入式系统中，主要运行嵌入式实时操作系统（如 uCOS Ⅱ、FreeRTOS）、网络系统、文件系统及各种通用组件模块，负责系统资源的高速、并行调度及容错处理。
4. 应用软件层：对应通用计算机的应用软件。它直接面向具体的应用需求，例如包含诸如机器学习、人工智能等"大脑"功能算法，或者 PID、卡尔曼滤波器、运动姿态控制等"小脑"功能算法。

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1.4 最小嵌入式系统结构

最小系统（Minimum System） 是指能让微控制器正常上电运行、并可与外部进行基本通信的最简硬件电路集合。它是所有嵌入式产品的设计起点，只要最小系统工作正常，便可在此基础上扩展任意外设。

STM32 的最小系统由以下五个核心部分组成：

表 1-3 最小嵌入式系统结构

组成部分	作用说明
微控制器（MCU）	系统核心，执行程序、协调所有外设
电源电路	提供稳定的 3.3V 工作电压，含滤波去耦电容
时钟电路（晶振）	为 MCU 提供精确的工作频率基准
复位电路	上电自动复位或手动按键复位，保证系统从确定状态启动
输入/输出接口	调试烧录接口（SWD）及引出的 GPIO，用于程序下载与外设扩展

以上内容归纳了最小嵌入式系统结构的关键要素，为后续深入学习和工程实践提供了参考依据。

1.4.1 最小系统结构图

图 1-3 上图以框图形式描绘了最小系统结构图的系统架构，清晰呈现了各模块之间的连接关系与信号流向。

1.4.2 各部分说明

① 电源电路

• 通常使用 AMS1117-3.3 或同类 LDO 稳压芯片，将 5V（USB 供电）或锂电池电压稳压至 3.3V
• 每个 VCC 引脚附近需放置 100nF 去耦电容（滤除高频噪声）及 10μF 电解电容（稳定低频电压），缺少滤波电容会导致 MCU 工作不稳定

② MCU 核心（STM32）

• 芯片为整个系统的计算核心，内部已集成 Flash（程序存储）和 SRAM（运行内存），无需外挂独立存储芯片即可运行
• 所有功能模块（定时器、串口、ADC 等）均集成在芯片内部

③ 时钟电路（晶振）

• HSE（高速外部时钟）：接 8 MHz 无源晶振，通过内部 PLL 倍频至最高 72 MHz 系统时钟，是 MCU 运行的"心跳"
• LSE（低速外部时钟）：接 32.768 kHz 晶振，专供实时时钟（RTC）模块使用，保证掉电后时间继续计数
• 晶振两端需各接一个 20 pF 负载电容至 GND，否则晶振可能无法起振

④ 复位电路

• 由 10 kΩ 上拉电阻 + 100 nF 滤波电容 + 手动复位按键 构成
• 上电时电容充电，NRST 引脚先保持低电平完成复位，再拉高进入正常运行；按下复位键可手动重启系统

⑤ 启动配置（BOOT 引脚）

STM32 通过 BOOT0/BOOT1 引脚电平决定上电后的启动模式：

表 1-4 各部分说明

BOOT0	BOOT1	启动模式	说明
0	×	用户 Flash	正常运行用户程序（最常用）
1	0	系统存储器	进入 ISP 串口烧录模式
1	1	内部 SRAM	用于调试，程序仅在 RAM 中运行

正常使用时 BOOT0 通过 10 kΩ 电阻下拉至 GND，保持 Flash 启动模式。

⑥ 调试/烧录接口（SWD）

• SWD（Serial Wire Debug） 是 ARM 的两线调试协议，仅需 SWDIO、SWCLK 两根信号线即可完成程序烧录与在线调试
• 相比 JTAG 的 5 线方案，SWD 占用引脚更少，是 STM32 开发的标准调试方式

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1.5 嵌入式系统的"输入-加工-输出"模型

在嵌入式系统中，"输入→加工→输出"的模型具体体现在底层硬件接口、实时操作系统调度以及上层控制算法的协同工作上。具体涉及的方式和知识如下：

1.5.1 输入信息的方式（Input）

嵌入式系统的输入主要负责感知外部环境、接收用户指令或获取网络数据，具体方式包括：

• 传感器采集（环境感知）： 外部物理量通过传感器转化为电信号，再经由微控制器的 ADC（模数转换器）采集，或通过数字接口读取。例如超声波、激光雷达、S3 视觉传感器、麦克风（Mic）等。
• 人机交互输入： 通过通用输入输出端口（GPIO）配置为输入模式来读取外部电平变化，如按键（通常配置为上拉输入并配合软件消抖或中断触发），以及触摸屏等设备。
• 通信接口接收： 通过串行或并行通信总线接收外部设备或网络的数据。例如通过串口（USART/UART）的 RX 引脚接收 GPS 模块、北斗模块发送的数据，或通过 I2C、SPI、以太网（ETH）、USB 等接口接收外部指令。

1.5.2 加工信息涉及的知识（Process）

加工信息是嵌入式系统的核心，负责对输入的数据进行运算、决策和任务调度，涉及硬件、系统软件和应用算法等多层面的知识：

• 微处理器硬件机制： 依赖 CPU 内核（如 ARM Cortex-M3）执行指令，涉及单周期乘法、硬件除法等运算能力，以及通过中断控制器（NVIC）和直接内存访问（DMA）机制实现高效的数据搬运和强实时响应。
• 实时操作系统（RTOS）： 涉及多任务并发机制、任务调度策略（如抢占式调度）。需要掌握任务间的同步与通信（如信号量、消息队列、邮箱），以及如何通过"延迟中断处理"机制协调中断服务程序与任务之间的关系（即下半部处理）。
• 软件架构与驱动（中间层）： 涉及 BSP/HAL（硬件抽象层）的设计，将底层硬件寄存器操作封装为标准 API，屏蔽硬件接口细节。
• 控制算法与应用逻辑：
  • "小脑"功能（底层控制）： 涉及运动控制、姿态控制、经典 PID 控制器（比例-积分-微分）、卡尔曼滤波器等控制理论知识。
  • "大脑"功能（高层决策）： 涉及有限状态自动机（FSM）的 C 语言实现，以应对复杂的控制逻辑状态流转；在更高级的应用中还涉及统计学习、深度学习及 SLAM（同步定位与建图）算法。

1.5.3 输出信息涉及的知识（Output）

输出信息是指系统经过运算后，向外界环境施加影响或展示结果，主要涉及：

• 执行器驱动： 根据 PID 等算法计算出的控制量，通过定时器输出 PWM 波或 GPIO 电平翻转，驱动直流减速电机、继电器、自动充放电模块等动力及电源设备。
• 状态显示与声音反馈： 控制 LED 灯的闪烁或渐变、扬声器（Speaker）发声、在 LCD/TFT 液晶屏上绘制汉字与图形图像等，用于直观呈现系统状态。
• 通信数据发送： 将处理后的数据或状态结果，通过串口的 TX 引脚、或通过网络控制拓扑（如 ESP32、4G/5G 终端、以太网）向云端服务器、上位机或其他节点发送。

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嵌入式系统"输入-加工-输出"详细构成图如下，展示了信息在嵌入式系统中的流转与各环节的知识构成：

图 1-4 该框图展示了输出信息涉及的知识（Output）的核心结构，读者可以从中把握各功能单元的层次划分与协作方式。

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1.6 本章小结

本章介绍了机器人系统的基本概念，包括机器人的发展历程与分类、嵌入式系统的体系结构、最小嵌入式系统的组成，以及输入-加工-输出模型。通过这些内容，读者应对机器人系统的整体框架和核心要素建立初步认识。

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1.7 习题

1. 请简述机器人的发展与人类发展的辩证关系。
2. 简述机器人如何分类。
3. 简要叙述机器人的结构。
4. 简述机器人控制的基本要求。
5. 简述机器人控制技术的学习有哪些要求。

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1.7.1 本章在线测试（10 题）

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1) "机器人（robot）"这一词汇最早出现在哪部作品中？

阿西莫夫《我是机器人》（1950）

卡勒鲁·查培克科幻戏剧《罗萨姆万能机器人制造公司》（1920）

戴沃尔工业机器人专利申请书（1954）

国际标准化组织 ISO 机器人定义文件

"robot"一词由捷克戏剧作家卡勒鲁·查培克于 1920 年在其科幻戏剧中首次使用，源于捷克语"robota"（劳动）。

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2) 机器人三定律由谁提出？其第一定律的核心内容是什么？

戴沃尔；机器人必须服从人类命令

恩格尔伯格；机器人必须尽力保护自己

阿西莫夫；机器人不得伤害人类，或袖手旁观让人类受到伤害

国际标准化组织；机器人不得脱离人类控制

机器人三定律由科幻大师艾萨克·阿西莫夫在 1950 年《I, Robot》中提出，第一定律将人类安全置于最高优先级。

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3) 国际标准化组织（ISO）对机器人的定义强调了以下哪项核心特征？

必须具备人形外观

只能用于工业制造领域

自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机

必须搭载人工智能决策系统

ISO 定义聚焦于自动化、位置可控和可编程三个核心特征，不限定外形和应用领域。

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4) 机器人整体结构由哪四大部分组成？

驱动装置、减速器、传感器、处理器

机器人本体、感知系统、控制系统、决策系统

机械结构、电气系统、软件系统、通信系统

执行机构、感知层、规划层、学习层

机器人的四大组成部分分工明确：本体负责物理执行，感知系统采集信息，控制系统协调运动，决策系统规划任务。

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5) 关于机器人感知系统中内部传感器与外部传感器，下列描述正确的是？

内部传感器检测自身状态（如关节运动），外部传感器感知环境（如视觉、触觉）

内部传感器感知环境温度，外部传感器检测电池电量

两者功能相同，区别仅在于安装位置

外部传感器只包括摄像头，内部传感器只包括编码器

内部传感器关注机器人自身状态，是正常运动的必需装置；外部传感器关注外部环境，使机器人能适应特定任务场景。

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6) 机器人控制系统分为三级控制器，其中负责"规划各关节协调运动、实现轨迹控制"的是？

驱动控制器（伺服控制器）

运动控制器

作业控制器

决策控制器

三级控制器层层递进：驱动控制器控制单关节电机，运动控制器协调多关节轨迹，作业控制器负责任务规划与环境检测。

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7) 我国将机器人官方划分为哪两大类别？

工业机器人和军用机器人

智能机器人和普通机器人

工业机器人和特种机器人

固定机器人和移动机器人

我国将机器人简化为工业机器人（面向工业领域的多关节机械手）和特种机器人（用于非制造业服务于人类的各种先进机器人）两大类。

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8) 目前机器人最常用、最主流的分类方式是？

按驱动方式分类

按运动方式分类

按智能程度分类

按用途分类

按用途分类是当前最常用的分类方法，涵盖工业、农业、医用、军用、娱乐、极限作业等多个领域，应用范围最广。

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9) STM32F103C8T6 型号中，字母"C"代表什么含义？

产品为通用型（Common）

封装类型为 LQFP

引脚数量为 48 脚

Flash 容量为 256 KB

STM32 命名规则中，引脚数量字段：C=48 脚，R=64 脚，V=100 脚，Z=144 脚；Flash 容量字段：8=64KB，B=128KB，C=256KB。

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10) STM32F1 系列采用的处理器内核及最高主频是？

ARM Cortex-M0，48 MHz

ARM Cortex-M4（带 FPU），168 MHz

ARM Cortex-M3，72 MHz

ARM Cortex-M7，216 MHz

STM32F1 为基础型系列，采用 ARM Cortex-M3 内核，72 MHz 主频，性价比高，是嵌入式入门与机器人底层控制的首选平台。

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图 1-5 上图直观呈现了本章在线测试（10 题）的组成要素与数据通路，有助于理解系统整体的工作机理。

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