體感型智能輪式機器人設(shè)計

季彬銘+潘寶珠+王愛紅+許惟超+孫靜

摘 要：設(shè)計了一種基于體感控制模塊的新型遙控輪式機器人。利用信息檢測模塊（數(shù)字加速度傳感器）測量體感控制模塊姿態(tài)的數(shù)字信號，經(jīng)由中央處理器模塊（單片機）進(jìn)行處理，將得到的傾角和傾斜方向轉(zhuǎn)化為控制信號，利用通信模塊（無線藍(lán)牙）進(jìn)行信息傳輸，通過電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)輪式機器人的運動控制。

關(guān)鍵詞：機器人；STC89C52單片機；加速度傳感器；無線藍(lán)牙傳輸

1 概述

體感技術(shù)的特點，在于人們不必使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，直接地進(jìn)行肢體動作，便可讓人們身臨其境地與周邊的裝置或環(huán)境進(jìn)行互動。近年來體感技術(shù)廣泛應(yīng)用于3D虛擬現(xiàn)實、空間鼠標(biāo)、游戲手柄、運動監(jiān)測、健康醫(yī)療照護(hù)等領(lǐng)域，取得了巨大的發(fā)展[1-2]。

該設(shè)計是以兩個單片機為控制核心，數(shù)字加速度計作為體感元件，以直流電機作為驅(qū)動與轉(zhuǎn)向裝置，利用無線藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行通信的智能操控系統(tǒng)。本設(shè)計體現(xiàn)了檢測、電路、自動控制和無線傳輸?shù)确矫娴募夹g(shù)，可在特定環(huán)境中完成體感控制，穩(wěn)健行駛。

2 無線通信模塊（藍(lán)牙）的總體設(shè)計

該智能機器人系統(tǒng)是由中央處理器模塊（單片機）、無線通信模塊（藍(lán)牙）、信息檢測模塊（數(shù)字式加速度傳感器）、電機驅(qū)動模塊、電源等部分組成，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

中央處理器模塊選用STC89C52單片機[3]，是體感型智能輪式機器人的關(guān)鍵；信息檢測模塊采集到加速度信號經(jīng)過處理器進(jìn)行分析和處理，然后通過電機驅(qū)動模塊控制機器人的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)輪式機器人平穩(wěn)行駛。

信息檢測模塊選擇ADXL345數(shù)字式加速度傳感器[4]。ADXL345傳感器具有體積小、功耗低、分辨率高，測量范圍大（±16g）的特點。單片機可通過SPI或I2C通信方式直接從ADXL345內(nèi)部的DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1 6個寄存器中讀出加速度數(shù)據(jù)。通過對這6個寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合得出 X，Y和Z三軸的加速度數(shù)據(jù)，加速度值與數(shù)字輸出數(shù)據(jù)呈線性關(guān)系。本設(shè)計采用兩線制的I2C總線協(xié)議，可以用于三輪或四輪智能機器人的控制。

3 加速度測量原理

設(shè)α，β和γ分別為力F與X軸、Y軸和Z軸的夾角，如圖2所示。根據(jù)力學(xué)知識可得，力F在X軸、Y軸和Z軸上投影的表達(dá)式為：

根據(jù)牛頓第二定律，加速度與力的矢量表達(dá)式為：

聯(lián)立方程式（1）、（2），可得加速度分量的表達(dá)式為：

傳感器平穩(wěn)時，此時傳感器僅受到重力作用，加速度a=g。通過變換，判斷傳感器姿勢，并得出角度方程式為：

其中，加速度ax，ay和az分別為數(shù)字式加速度傳感器測得的在X軸，Y軸和Z軸上的加速度。

4 程序設(shè)計

采用模塊化設(shè)計方法，在Keil uVersion5環(huán)境下采用C語言編寫程序。相關(guān)程序主要包括主程序、電機驅(qū)動程序、遙控控制程序等，系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計采用ADXL345數(shù)字式加速度傳感器作為體感控制器，經(jīng)典的STC89C52單片機作為中央處理器，性價比較高的UART藍(lán)牙技術(shù)作為通信手段，實現(xiàn)了通過手勢改變無線控制智能輪式機器人運轉(zhuǎn)的目的。通過改變體感遙控器的前傾、后傾、左傾和右傾的姿勢，無線遙控了機器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的運動。實驗測試結(jié)果顯示：輪式機器人符合體感控制要求，反應(yīng)靈敏，行動可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]林德江，井志勝，王國德，等.基于Leap Motion體感控制技術(shù)的數(shù)字化展示系統(tǒng)研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2015，36（04）：86-90.

[2]師丹瑋.體感操控：視覺識別比加速度傳感器更適合[J].集成電路應(yīng)用，2013，08：22-23.

[3]陳明妙，吳汶，李曼.基于STC89C52單片機的智能尋跡小車的設(shè)計[J].湛江師范學(xué)院學(xué)報，2013（6）.

[4]袁西，陳棟，田湘，等.三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導(dǎo)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2010（3）.