項目分享| STM32+樹莓派實現6s解魔方機器人

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給你個魔方，最快多久可以恢復？ 我們這有臺機器人，最快6s可以復原，有沒有人敢來PK的？

視頻中的解魔方機器人出自達粉工控小弟之手，耗時4個月，全部費用約2500元，所以各位摩拳擦掌想一試的兄弟們要考慮下自己的財力喲。

◆ 解魔方機器人看著挺複雜的，其實功能非常清晰明了：整體系統由上位機與下位機構成，上位機的功能是：採用 Raspberry Pi4 作為主控制器，使用 OV5647 攝像頭模組作為圖像採集與識別的設備；下位機採用 STM32 系列的單片機作為主控制器，使用六臺步進電機作為執行機構。

智能解魔方機器人的工作流程：Raspberry Pi4 調用 OV5647 攝像頭模組對魔方六面的色塊信息進行採集，將採集到的圖像進行邊緣分割及二值化，通過顏色閾值對比，得到相對應顏色值，生成色彩信息字符串。色彩信息字符串傳入 Kociemba 算法，通過 Kociemba 算法解算出魔方還原指令，將還原指令通過 HC05 藍牙模組發送至下位機，下位機解析魔方還原指令後執行相應的動作，實現魔方還原。 

上位機狀態顯示採用 0.96 寸的 OLED 顯示屏；

上位機電源變換中，電源輸入為 DC 12V 電壓，DC 6V 電源使用 XL4005 降壓晶片獲得，DC 5V 電源使用 XL4005 降壓晶片獲得，DC 3.3V 使用 AMS1117-3V3 降壓晶片獲得。

處理器採用 STM32F103RCT6；

下位機與上位機的通信方案採用 HC-05 藍牙模組進行無線通信；驅動器採用東芝 TB67S109AFTG 步進電機驅動器；下位機電源變換中，電源輸入為 DC 12V-DC 24V 的寬電壓，DC 12V 電源使用 XL4005降壓晶片獲得，DC 5V電源使用XL4015降壓晶片獲得，DC 3.3V使用AMS11173V3 降壓晶片獲得。

◆ 有了硬體後就開幹，主要硬體設計內容 

智能解魔方機器人的設計內容還是圍繞上位機設計與下位機設計，確保他們都可以完成各自的工作。在上位機的設計中，難點在於：圖像採集及圖像處理、解魔方算法設計、魔方還原指令的生成。

單板計算機主要負責圖像處理、解魔方算法的運行、上位機主程序運行。圖像採集設備主要負責採集魔方的六面的色塊信息。上位機輔助處理器主要功能為協助上位機做拍照平臺控制、補光燈亮度調節、驅動上位機狀態顯示器件。補光燈主要負責提供合適的光源，輔助圖像採集設備準確無誤的採集魔方六面色塊。上位機電源系統主要為單板計算機、補光燈等部分提供額定電源，保證上位機各部分供電正常。拍照平臺作為輔助圖像採集設備使用。上位機狀態顯示主要負責提示拍照順序、顯示當前補光燈的亮度等級、顯示當前拍照的魔方面的序號。按鍵主要功能為控制補光燈的亮度與控制拍照平臺的轉動。 

而下位機相對簡單些，需要魔方還原指令的解析，還需要順滑的硬體電氣連接，機械結構的設計應考慮穩定性、準確性、靈活性，確保在執行機構動作時，不會產生超量的機械誤差。在還原指令無誤的情況下，提高下位機的設計品質，可大幅度提高還原速度與還原準確性。  

解魔方算法是智能解魔方機器人的「靈魂」 ， 一套高效的解魔方算法可以大幅度提高智能解魔方機器人還原魔方的速度。 這裡採用的是直接調用 Kociemba 算法庫。在 Python3 中，官方提供了一個 Kociemba 算法庫，可以直接調用，使用非常方便。更詳細的Kciemba 算法庫的配置方法在開源的文檔中有介紹，可以在「達爾聞說」微信回覆：解魔方機器人，獲取。

除了解魔方算法，上位機其他軟體功能也非常重要的：圖像採集、圖像處理、解魔方算法運行、串口發送四大功能，圖像採集需要配置攝像頭的驅動，圖像處理需要配置好 OpenCV 的環境，解魔方算法的運行需要配置支持環境，串口功能需要配置相應的波特率、奇偶檢驗位、數據位等參數。

上位機主程序流程圖

下位機的軟體流程就非常的簡單，主控晶片是STM32，自然下位機的軟體設計語言採用 C語言。使用官方提供的標準庫開發，移植性高且開發周期更快。

在STM32正常供電後，片上系統開始初始化，完成內核及外設的復位。調入系統初始化函數，按照初始化函數的基本配置，對 GPIO、USMART、PWM、定時器、中斷等外設進行初始化配置。配置完成後，系統開始對外部中斷進行監聽，當外部中斷發生後， 進入外部中斷服務程序。外部中斷服務程序中，打開串口中斷，使能步進電機驅動器的 EN 埠。此時，系統開始監聽串口中斷，當串口接收中斷發生後，程序進入串口中斷 服務程序。對接收到的魔方還原指令進行解析，驅動相應的步進電機轉動。 

整個系統調試主要對機器人的魔方還原算法、顏色識別這兩項做重點的調試，通過多次隨機打亂還原測試，Kociemba 魔方還原算法都能夠正常進行還原。工控小弟分享了上面提到的上位機和下位機的原理設計圖，以及魔方機器人的製作說明文檔，給願意做的小夥伴一些參考，在「達爾聞說」微信回覆：解魔方機器人，獲取。另外，如果你想和工控小弟交流，可以加入達爾聞交流群，添加妮姐微信（459888529），備註技術交流即可入群。做這個項目正是疫情期間，工控小弟在自己家中臨時搭建了簡陋的工作檯完成了這個機器人。妮姐想說，只要你願意做，就會有100種方法可以成功，加油吧！我們是妮mo，達爾聞創始人，只講技術不撩漢的小姐姐。達爾聞在線教育平臺旨在服務電子行業專業人士，提供技能培訓視頻，覆蓋各細分領域熱門話題，比如嵌入式，FPGA，人工智慧等。並針對不同人群量身定製分層級學習內容，例如常用知識點，拆解評測，電賽/智能車/考研等，歡迎關注。

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