基于Android的無線遙控移動機(jī)器人

劉暢

摘要：近些年，嵌入式系統(tǒng)飛速發(fā)展，通信傳輸速度的不斷提高，使得機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，更為機(jī)器人遠(yuǎn)程控制提供了便利平臺。在移動機(jī)器人控制系統(tǒng)中，如采用PC機(jī)作為控制終端，則需要在專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持的環(huán)境下才能進(jìn)行現(xiàn)場控制，極不靈活。該文通過嵌入式技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)的融合，設(shè)計了較為實(shí)用且控制便攜的車型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)方案。該方案以ARM-STM32嵌入式微處理器為核心，添加硬件外設(shè)和軟件程序搭建四輪全向移動機(jī)器人，以Android手機(jī)為控制終端，通過 WIFI無線信號的傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。機(jī)器人小車可實(shí)現(xiàn)紅外循跡、超聲波測距運(yùn)動，終端可觀察和控制機(jī)器人小車的運(yùn)動。

關(guān)鍵詞：STM32；Android；WIFI；超聲波測距；紅外循跡

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0035-02

Abstract： In recent years， with the rapid development of embedded systems and the continuous improvement of communication and transmission speed， robots have been applied more and more widely and provided a convenient platform for remote control of robots. In the mobile robot control system， if the PC is used as the control terminal， the field control can only be carried out in the environment supported by special network equipment， which is not flexible. Through the integration of embedded technology， wireless transmission technology and sensor technology， this paper designs a more practical and portable vehicle robot realization scheme. This scheme takes arm-stm32 embedded microprocessor as the core， adds hardware peripheral and software program to build four-wheel omnidirectional mobile robot， takes Android mobile phone as the control terminal， and realizes the remote control of the robot through WIFI wireless signal transmission. The robot car can realize infrared tracking， ultrasonic ranging motion， and the robot car can be observed and controlled at the end.

Key words： STM32； Android； WIFI； ultrasonic ranging； infrared tracking

1 發(fā)展現(xiàn)狀

移動機(jī)器人是一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)，可通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜未知環(huán)境中面向目標(biāo)的控制或自主運(yùn)動，完成預(yù)定任務(wù)。

在各種移動機(jī)器人中，輪式機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛，如掃地移動機(jī)器人、玻璃清潔機(jī)器人、家用服務(wù)移動機(jī)器人等。在相對平坦的接觸面上，用輪式移動方式相當(dāng)優(yōu)越，其中又以4輪應(yīng)用最為廣泛，4輪機(jī)構(gòu)相對穩(wěn)定且可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。

2 系統(tǒng)設(shè)計及原理

系統(tǒng)總體設(shè)計有軟件與硬件兩部分，硬件設(shè)計對各功能模塊的硬件設(shè)備選型、工作原理以及電路設(shè)計做了詳細(xì)的介紹。軟件設(shè)計則根據(jù)上位機(jī)和下位機(jī)的不同控制平臺搭建與之對應(yīng)的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計模塊如下圖：

下面對機(jī)器人系統(tǒng)各項模塊進(jìn)行分析和介紹。

（1）核心板處理器型號為 STM32F103VCT6，是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的增強(qiáng)型系列，內(nèi)核結(jié)構(gòu)先進(jìn)、功耗控制能力杰出、最大程度的地整合集成，通過其完整、高效的開發(fā)工具和庫函數(shù)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間。STM32F103VCT6工作在72MHz主頻下，帶有片內(nèi)SARM和豐富的外設(shè)，應(yīng)用廣泛。通過建立MDK-ARM5.0開發(fā)平臺，可直接調(diào)試/下載程序。

（2）Wi-Fi 模塊： Android系統(tǒng)已普及到手機(jī)、平板系統(tǒng)中，這種移動終端一般會搭載藍(lán)牙、wifi、GPRS等通信模塊，利用這些通信方式，則可實(shí)現(xiàn)遙控并可把實(shí)時數(shù)據(jù)傳回遙控端。本次設(shè)計采用HLK-RM04模塊，它是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，低成本、高性能、內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI）3 個接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。通過該模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。

（3）驅(qū)動模塊通過兩組電源輸入，給車型機(jī)器人平臺供電。采用雙H 橋驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動四個帶測速碼盤的直流電機(jī)，該芯片輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A ，足夠驅(qū)動所用直流電機(jī)，通過邏輯電平信號控制使能控制端，可以控制小車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

小車在行進(jìn)中的調(diào)速設(shè)計則采用的是軟件實(shí)現(xiàn)，通過改變電機(jī)電壓與平均電壓之間的占空比，控制高低電平的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)速度的轉(zhuǎn)換，即脈沖寬度調(diào)制，這種調(diào)制方法只用一個微處理器輸出端口，且沒有任何晶體管功率損失，常用方法是以固定頻率產(chǎn)生脈沖，并根據(jù)實(shí)際需求“開”和“關(guān)”的時間改變平均有效電壓，即改變占空比來實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的改變，使電動機(jī)速度得到控制。之所以采用直流電機(jī)，是因?yàn)樗哂袃?yōu)良的速度控制性能，能夠克服轉(zhuǎn)動裝置產(chǎn)生摩擦力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大扭矩大轉(zhuǎn)矩，能夠適應(yīng)信號、速度的快速變化，具有很強(qiáng)的響應(yīng)適應(yīng)能力，且直流電機(jī)工作噪聲小，性能穩(wěn)定，最為常見，種類繁多。該設(shè)計中采用4個直流電機(jī)制作機(jī)器小車。

（4）超聲波測距模塊：采用測量傳輸時間的方法進(jìn)行測距。原理是，發(fā)射器發(fā)射高頻超聲波脈沖，遇到障礙物后返回，由接收器接收，發(fā)射器和物體之間的距離等于超聲波行進(jìn)距離的一般，行進(jìn)距離則等于傳輸時間與聲速的乘積。測距系統(tǒng)中的發(fā)射頭采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，接收頭采用與其配對的UCM40R，單片機(jī)選用8751，經(jīng)濟(jì)易用編程便利。

（5）循跡模塊：采用8 路紅外對管，8 個LM358 電壓比較器且基準(zhǔn)電壓可調(diào)，配有8 個LED 指示燈。小車前面的8 個光電對管起循跡作用，由于光電傳感器的靈敏度和高度不一樣，環(huán)境光照強(qiáng)度也不一樣，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器模塊上相應(yīng)的電位器，和傳感器模塊高度，使傳感器能夠在黑線上輸出低電平，白線上輸出高電平，從而可以識別路線，完成循跡功能。

（6）Android 是Google公司基于Linux平臺開放源代碼的操作系統(tǒng)，它是開放的平臺，任何個人和組織都可以參與系統(tǒng)的開發(fā)，任意加入自己開發(fā)的特殊功能，不受限于操作系統(tǒng)。在移動智能終端領(lǐng)域， Android 占領(lǐng)了超過半數(shù)的市場份額，也成為全球使用過量最大的手機(jī)系統(tǒng)，它的發(fā)展逐漸改變了人們的生活方式。本次設(shè)計基于Android手機(jī)為控制終端，其流程圖如下：

3 測試結(jié)果

本次測試準(zhǔn)備一個小車的橢圓形跑道，跑道上白底黑線，并有障礙物設(shè)置。測試中需合理調(diào)節(jié)傳感器模塊上相應(yīng)的電位器及傳感器模塊高度，使單片機(jī)對接收端輸出能夠正確判斷，黑線低電平輸出，白線輸出高電平。通過Android軟件控制小車的拐彎、轉(zhuǎn)向。指令發(fā)出后，機(jī)器人能比較準(zhǔn)確到達(dá)所需位置，并完成相應(yīng)任務(wù)。當(dāng)然，小車也有些許不足，如：轉(zhuǎn)彎弧度太大，小車易脫軌失去控制，說明控制方案、算法有待優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文融合了嵌入式、無線傳輸、傳感器等技術(shù)，設(shè)計了車型機(jī)器人并實(shí)現(xiàn)了移動終端控制。對硬件選擇、程序設(shè)計、調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了深入分析。希望此類應(yīng)用能過促進(jìn)機(jī)器人實(shí)用性發(fā)展。

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