感應式移動小車控制系統(tǒng)研究

夏子棋+李艷剛+王禹+雷鳴

摘 要：該設計是一種智能跟隨機器人，由小車端和手機端兩部分構成。小車端裝有電子羅盤、紅外線、超聲波、藍牙等模塊，使用Arduino主板作為小車的控制主板；手機端控制APP，負責采集手機的傳感器數(shù)據(jù)并加以處理，最后轉化為對應的指令通過藍牙模塊發(fā)送給小車執(zhí)行。其中，使用了加速度傳感器、方向傳感器和電子羅盤等傳感器計算人的移動方向，并不斷嘗試提高算法的準確性和高效性，盡量避免出現(xiàn)較大的延遲，做到人與小車的同步移動。

關鍵詞：安卓；Arduino；藍牙；跟隨；算法

1 研究目的及思路

智能跟隨機器人，即不需要人操控便可智能跟隨人移動的機器人，只服務于確定的某一領域。它融合了多個學科和技術領域，從一定程度上來說，機器人是衡量現(xiàn)代科技和高端制造業(yè)水平的重要標志，也是搶占智能社會發(fā)展先機的戰(zhàn)略領域，象征著一個國家的科學技術發(fā)展水平及綜合實力。

智能跟隨機器人還屬于比較新的領域，市場上銷售、使用的相對較少，且價格昂貴。目前推出的智能跟隨機器人中，比較好的有由意大利公司Piaggio推出的私人貨物運輸機器人Gita、由我國鼎盛智能科技有限公司推出的ibotn，其平均售價為5000元，價格過高，難以大范圍普及。

本文主要描述了如何發(fā)明一種成本較低，操作更加便捷且能大范圍普及的智能跟隨機器人，讓智能跟隨機器人走進人們的生活，讓其小到日常生活，大到工廠結構化的環(huán)境，都可以自主地完成指定的工作任務來更好的為人類服務。

就目前的調查，發(fā)現(xiàn)其主要的實現(xiàn)原理有兩種。一種是靠“看”，另一種靠“聽”?！翱础钡难芯糠较蚣赐ㄟ^圖像識別、特征識別等辨別跟隨目標，并通過成像大小或者激光，紅外線等手段判斷與目標的距離和方向然后做到智能跟隨；“聽”的研究方向則是通過接受藍牙、無線電，紅外線，超聲波等信號并通過各種定位算法來確定目標的方位和距離。之前所提到的兩款跟隨機器人Gita和ibotn便是使用的“看”的方法。

為實現(xiàn)成本低、普及規(guī)模大的要求，該跟隨機器人的控制采用“聽”的辦法。利用手機自帶的傳感器來采集數(shù)據(jù)并利用手機CPU進行數(shù)據(jù)處理，小車只需接受手機傳遞的命令并執(zhí)行，無需進行其他的運算。這樣不但大大降低了小車的制作成本，而且避免了采用紅外線等方法造成定位不精確的弊端。它的最終目標是成為一款智能陪伴機器人，擁有視頻對講、視頻抓拍、危險預警等功能，作為小孩子最好的玩伴和安全的保護者。

2 系統(tǒng)構架

該跟隨機器人采用手機作為控制設備，使用方向傳感器、加速度傳感器、電子羅盤等傳感器來采集數(shù)據(jù)，并通過對應的算法處理數(shù)據(jù)后生產(chǎn)對應的指令通過藍牙發(fā)送給小車執(zhí)行。其采用價格相對較低、性比價更高的Arduino作為控制主板，主要的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理由智能手機端的APP完成。小車端只安裝了一些必備的模塊，例如HC06藍牙模塊、HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器。

其中Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。HC06藍牙模塊用于和手機保持通信，即接收手機端的藍牙模塊傳遞的移動指令，而HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器則用于采集當前小車的方向、速度等數(shù)據(jù)用于校正小車的移動方向。

3 實現(xiàn)方案

作為智能跟隨小車的主控APP，其主要負責利用藍牙與小車建立通信，并采集手機傳感器的數(shù)據(jù)，交由對應的算法處理，最后再將對應的指令發(fā)送給小車。由于目前智能手機品牌、機型眾多，所以必須考慮到各種情況，例如用戶手機沒有藍牙、沒有所需的傳感器等。所以在程序運行之前必須檢驗用戶手機是否具備能夠正常運行此款APP的條件，若不能則應及時給用戶提示信息。若用戶手機能夠正常運行APP，便可以直接激活藍牙連接小車，獲取傳感器數(shù)據(jù)，計算移動方向等。其主要作用是用于與小車建立藍牙通信、獲取傳感器數(shù)據(jù)、計算移動方向，所以該軟件主要需要解決藍牙連接和傳輸數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)獲取，算法設計等問題，并通過實踐不斷的優(yōu)化計算移動的算法。

小車端的主要任務是對Arduino主板進行編程，并使用對應的ArduinoIDE來驅動電機帶動小車完成接收到的各種指令。其中，因為Arduino主板并不具備多線程處理能力，所以為了能夠在以后添加更多的功能，已通過軟件給Arduino添加一個名為wayTask的結構體用于模擬多線程處理。盡管處理方案并不完善，但Arduino已擁有了進行多線程處理的能力。

4 科學性和先進性

和目前市面上多數(shù)跟隨機器人相比，該智能跟隨機器人有以下優(yōu)勢：

（1）采用手機作為跟蹤設備。這樣既不用在小車上安裝多余的用于圖像識別的裝置，也無需用戶佩戴額外的追蹤設備，下載安裝一個APP即可將用戶的手機用于引導機器人跟隨用戶。

（2）由APP處理數(shù)據(jù)。小車不再決定如何跟隨被跟隨者，而交由手機APP去處理并發(fā)送指令給小車，小車只需執(zhí)行APP傳遞的指令即可，大幅度降低了小車的設計難度和制造成本。

其技術關鍵在于Arduino主板驅動小車編程、Arduino多線程處理方案設計、傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理和移動方向算法設計。主要技術指標包括同步跟隨延遲時間、傳感器數(shù)據(jù)采集頻率和信息同步出錯率。

可作為一種新型玩具，主要適用于擁有兒童的家庭、兒童樂園等使用，若對其進行一定的改造也可用于跟隨錄像等。

5 總結與展望

由于時間和能力有限，本課題設計的跟隨機器人功能暫不完善，還無法達到作為陪伴機器人的目標。而由于新的引導方法的改進，其制作成本很低，具有很高的性價比，適用于家庭、孩童樂園等。針對最終目標，在此提出今后的努力方向：

（1）逐步擴展更多的功能，如視頻對話、視頻錄制、兒童監(jiān)護等，并對其外觀有更高的要求。

（2）嘗試將其與人工智能聯(lián)系起來，讓其自主學習規(guī)避障礙、適應各種復雜路況等。

（3）對跟隨響應速度以及運動精確度方面還需要進行改進。

本課題完成了對智能跟隨機器人的設計，并驗證了系統(tǒng)的可行性。基本實現(xiàn)了降低其設計難度、制造成本和使用難度的目的，提高了在同類型產(chǎn)品中的競爭力，相信在不久的將來，隨著對其不斷地完善，該智能跟隨機器人會達到一個更高的水平。

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