*項(xiàng)目來源于國(guó)家級(jí)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目支持（項(xiàng)目編號(hào)：S201910701058），并獲邀在2019年西安大學(xué)生創(chuàng)客節(jié)展出。

作者簡(jiǎn)介：**通信作者：王新懷，男，博士，副教授/博導(dǎo)，研究方向：微波毫米波電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智能天線與天線組陣技術(shù)等領(lǐng)域。

郵箱：[email protected]。

徐茵，女，講師，研究方向：微波毫米波電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

崔鑫，段清原，范浩揚(yáng)，電子工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。

王澤遠(yuǎn)，微電子學(xué)院微電子科學(xué)與工程專業(yè)。

0   引言

皮影戲是我國(guó)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，但因?yàn)閭鹘y(tǒng)皮影表演需要長(zhǎng)期的專業(yè)訓(xùn)練，并且皮影文化在現(xiàn)代的流傳程度嚴(yán)重不足，所以皮影表演已經(jīng)接近銷聲匿跡。筆者在陜西華縣等地考察發(fā)現(xiàn)，皮影表演依舊受到歡迎，但其表演形式較為單一，在數(shù)量和效率方面有著一定的局限性。

本系統(tǒng)將皮影戲和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合起來，賦予其新的表演形式。用機(jī)器人表演皮影戲，可以克服傳統(tǒng)皮影戲編排效率的問題，也能突破數(shù)量局限，更大范圍的發(fā)揚(yáng)和傳承皮影戲。

1   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)整體可分為4 部分： 第1 部分負(fù)責(zé)機(jī)器人控制，包括以ESP32為核心的舵機(jī)控制系統(tǒng)、以74LVC4245等芯片組成的電壓控制系統(tǒng)和以超聲波測(cè)距模塊為核心的定位系統(tǒng)；第2部分是通信系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)基于UDP和MQTT互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的上位機(jī)信息傳送和Wi-Fi模塊信息接收的功能；第3部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)，表演臺(tái)搭建和3D打印的連接件。第4部分是皮影表演的輔助設(shè)備，包括可遙控幕布，音響、燈光系統(tǒng)和GUI交互界面等。

通過利用MQTT等互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議快捷有效地解決了上位機(jī)和主控芯片的通信問題；應(yīng)用3D打印形成機(jī)器人和皮影、以及機(jī)器人和軌道的各種連接傳動(dòng)裝置；完善的機(jī)器人自由度設(shè)計(jì)可以完美的實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)皮影表演的各種動(dòng)作。通過各個(gè)功能的有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化的智能皮影表演系統(tǒng)，可借助上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的完全控制。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作過程

上位機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議發(fā)送編碼后的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信息給主控芯片。主控芯片解碼后，I/O端口輸出信號(hào)通過74LVC4245芯片轉(zhuǎn)化為PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制機(jī)器人舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。其中，上位機(jī)中的角度信息會(huì)按照不同節(jié)目打包，通過發(fā)送具體的信息包來表演不同的節(jié)目；超聲波測(cè)距模塊控制機(jī)器人的絕對(duì)位置；上位機(jī)GUI交互界面控制遙控幕布，燈光系統(tǒng)，音樂系統(tǒng)等輔助設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人皮影表演。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2   系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 機(jī)器人主控

主要采用ESP32芯片作為的主控芯片，ESP32芯片具備2.4 GHz Wi-Fi功能，可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序，其多達(dá)16路的硬件PWM輸出正好能夠滿足皮影機(jī)器人的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。在工程中我們使用基于ESP32芯片設(shè)計(jì)的ESP32-WROOM模組，只需添加很少的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)開發(fā)板的設(shè)計(jì)。同時(shí)ESP32具備Wi-Fi功能，因此可實(shí)現(xiàn)AP與SAT聯(lián)網(wǎng)模式，而且也支持MQTT等互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)ESP32SAT模式接入局域網(wǎng)、并與電腦主機(jī)實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議的通訊。隨后，ESP32將通過局域網(wǎng)接收到的包含動(dòng)作序列的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的狀態(tài)信息，并及時(shí)將機(jī)器人的工作狀態(tài)等信息回傳到上位機(jī)。

2.1.2 電壓控制組

電壓控制組以降壓與電平轉(zhuǎn)換為主要方案。采用12V鋰電池供電，經(jīng)XL4016模組降壓到6 V左右達(dá)到舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，保證舵機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；再經(jīng)過LM2940芯片穩(wěn)壓至5.0 V給電平轉(zhuǎn)換芯片和超聲波測(cè)距模塊等電路供電；最后采用74LVC4245芯片將3.3 V的ESP32的I/O端口輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為5.0 V的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和具體角度，達(dá)到表演效果。電平轉(zhuǎn)換示意圖如圖2。

圖2 電平轉(zhuǎn)換示意圖

2.1.3 定位系統(tǒng)

采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行機(jī)器人在軌道上的定位（圖3）。使用ESP32給予模塊高電平信號(hào)啟動(dòng)，模塊發(fā)送方波用于距離檢測(cè)，應(yīng)用方波的發(fā)射和返回的時(shí)間差，配合計(jì)算公式可計(jì)算大概距離，再通過限幅加權(quán)平均濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以得到機(jī)器人在軌道上的精確位置。最終誤差會(huì)在1 cm之內(nèi)。

圖3 定位系統(tǒng)示意圖

2.2.4 輔助設(shè)備

采用電磁繼電器控制大功率燈珠，可以讓上位機(jī)控制燈光的狀態(tài)，同時(shí)加上手動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制。采用AOD4184功率NMOS管模塊對(duì)燈條進(jìn)行控制，通過上位機(jī)可根據(jù)劇情調(diào)節(jié)燈光的亮度，也可實(shí)現(xiàn)呼吸燈效果。

2.2 軟件部分

2.2.1 服務(wù)器搭建

上位機(jī)與機(jī)器人主控板之間借助MQTT傳輸協(xié)議進(jìn)行通信，MQTT是基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、開放、穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的消息發(fā)布。采用EMQX搭建MQTT的服務(wù)器，EMQX是物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議服務(wù)器，可以支持物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的大并發(fā)數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.2.2 上位機(jī)通信

上位機(jī)采用Python進(jìn)行編程，搭建客戶端，實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的無線通信，進(jìn)行動(dòng)作序列和演出統(tǒng)籌等信息的傳輸。應(yīng)用socket標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)建立UDP連接，應(yīng)用paho-mqtt庫(kù)實(shí)現(xiàn)MQTT的訂閱端和發(fā)布端。使用約定的端口號(hào)接收UDP廣播，獲取遙控器所發(fā)送的指令和MQTT傳輸協(xié)議所需要的主題信息。編寫濾波算法對(duì)遙控器指令進(jìn)行處理，根據(jù)得到的不同指令調(diào)用開場(chǎng)、表演、謝幕等不同的函數(shù)。使用threading模塊實(shí)現(xiàn)多線程，可以同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。另外，利用線程threading庫(kù)中Event對(duì)象的wait方法實(shí)現(xiàn)阻塞效果，可以很好地實(shí)現(xiàn)整體程序的暫停、恢復(fù)、停止。

2.2.3 GUI界面

GUI交互界面的設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。采用Tkinter 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)進(jìn)行GUI 的開發(fā)，便于應(yīng)用多種控件，采用place及pack等方式進(jìn)行布局管理。界面操作選項(xiàng)多樣，包含播放、暫停、停止、音量大小、燈光亮度等選項(xiàng)。使用GUI交互界面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表演系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3.1 表演臺(tái)系統(tǒng)

表演戲臺(tái)是按照傳統(tǒng)戲臺(tái)樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用木制雕鏤結(jié)構(gòu)，配以吊墜進(jìn)行裝飾，即含古風(fēng)古韻，又輕巧便捷。內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)采用鋁合金框架進(jìn)行搭建，整體質(zhì)量較輕，拆卸組裝十分簡(jiǎn)單，便于運(yùn)輸。燈光采用的是220V供電的LED燈設(shè)備。具體為額定功率15W的燈珠對(duì)兩個(gè)皮影進(jìn)行投影，和燈珠排布密集的燈條，用于照亮背景景物。幕布采用全自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，可通過上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合,按照遙控系統(tǒng)的控制呈現(xiàn)開場(chǎng)、謝幕等效果。音響采用雙聲道立體聲揚(yáng)聲器，可以通過上位機(jī)控制具體節(jié)目的音樂播放。機(jī)器人軌道采用小摩擦力輕軌軌道，減輕軸承負(fù)擔(dān)，提高使用壽命。

2.3.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)

借鑒傳統(tǒng)的皮影表演，設(shè)計(jì)了三根控制皮影的表演桿，然后根據(jù)每根桿可能需要轉(zhuǎn)動(dòng)到的角度，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，分配給手臂4個(gè)自由度，頭部2個(gè)自由度，保證機(jī)器人可以完美、精確地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)皮影動(dòng)作。

2.3.3 3D打印

應(yīng)用3D打印形成機(jī)器人與皮影的連接件和機(jī)器人與軌道的傳動(dòng)軸承，保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力和皮影與機(jī)器人動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。同時(shí)，設(shè)計(jì)固定底板把主控板電路與電壓控制組隱藏于密閉空間中，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，體現(xiàn)工程美學(xué)。系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)整機(jī)

3   結(jié)論

本皮影表演系統(tǒng)具有機(jī)電一體化和輕便可拆卸等特點(diǎn)，其硬件與軟件各部分都已經(jīng)過實(shí)際測(cè)試且正常運(yùn)行。機(jī)器人與皮影的結(jié)合表演，具有一定的文化創(chuàng)意，符合弘揚(yáng)文化自信的潮流和智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] HETLAND M L.Python基礎(chǔ)教程[M].人民郵電出版社,2018.

[2] 董付國(guó).Python程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社,2016.

[3] 李穎卓,梅志輝.基于STM32單片機(jī)皮影戲機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2015(09):179-180.

[4] 蔡睿妍.基于Arduino的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2020(06):170.

[5] 董彧先.基于Python的網(wǎng)絡(luò)編程研究與分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2019(20):85-86.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）