基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

包志家

摘要：在這個(gè)智能化時(shí)代背景下，為了能夠更好地發(fā)揮出機(jī)器人的價(jià)值，文章主要設(shè)計(jì)了一個(gè)多功能的履帶式機(jī)器人，其是將手持移動(dòng)設(shè)備作為主要控制端，控制方式采用分布式控制，而在這一整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)屬于核心，并且還擁有較多的功能模塊，上位機(jī)軟件則主要是在嵌入式Linux下運(yùn)行，而對(duì)于移動(dòng)手持設(shè)備和機(jī)器人之間的信息交互，則主要是利用了WiFi傳輸技術(shù)。通過這_系統(tǒng)，操作人員在實(shí)際使用過程中能有效地利用無線遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人移動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控，更好地保障機(jī)器人應(yīng)用的效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線遙控；移動(dòng)機(jī)器人

在社會(huì)不斷發(fā)展過程中，對(duì)于機(jī)器人的研究也是越發(fā)地頻繁，就目前機(jī)器人設(shè)計(jì)工作來看，無線遠(yuǎn)程控制移動(dòng)屬于設(shè)計(jì)研究熱點(diǎn)之一，因?yàn)檫@一項(xiàng)設(shè)計(jì)和研究能夠代替我們完成一些較為危險(xiǎn)的行動(dòng)，又或者是在一些較為惡劣的環(huán)境下工作。而在無線傳輸過程中，目前應(yīng)用較為普遍的就屬于WiFi技術(shù)，這一項(xiàng)技術(shù)在應(yīng)用過程中傳輸距離較長，并且網(wǎng)絡(luò)也十分地穩(wěn)定可靠，目前也成為人們生活以及工作中不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)。本文在設(shè)計(jì)研究過程中，其核心主要是單片機(jī)，之后在履帶式小車基礎(chǔ)上加上六自由度機(jī)械臂、風(fēng)扇、攝像頭等功能模塊，最后利用WiFi傳輸技術(shù)來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制和監(jiān)控，并且設(shè)計(jì)出了一個(gè)基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人，希望能夠?qū)⑵溆行У貞?yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

1 機(jī)器人硬件組成

在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，本系統(tǒng)中主要是基于單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中控制終端主要是使用了手持移動(dòng)設(shè)備，WiFi這一技術(shù)的作用則是對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行遙控，以此來設(shè)計(jì)出了一個(gè)履帶式機(jī)器人。該機(jī)器人在控制過程中，要想實(shí)現(xiàn)控制這一目的，其主要是在控制過程中采用了分布式控制，核心則是STC89S52單片機(jī)，其次則包括了以下幾個(gè)功能模塊：小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、滅火模塊、機(jī)械臂模塊、電磁炮模塊、集成電源供電模塊、通信接口模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊等。在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，單片機(jī)主要的作用就是接收傳感器的反饋信號(hào)，然后通過WiFi將所收到的信號(hào)傳輸?shù)绞殖忠苿?dòng)設(shè)備當(dāng)中，操作人員則主要是利用手持移動(dòng)設(shè)備來對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)以此來作出相應(yīng)的決策，在這一過程中，其在手持移動(dòng)設(shè)備中所獲得的指令還可以經(jīng)過單片機(jī)傳輸?shù)礁鱾€(gè)功能模塊當(dāng)中，從而就能確保機(jī)器人能夠完成相關(guān)任務(wù)要求。

1.1小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)中，主要為其配置了2個(gè)直流電機(jī)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)小車電機(jī)本身需求功率較大，所以單片機(jī)在發(fā)出脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)的過程中，還需要添加L298N驅(qū)動(dòng)電路，這樣才能對(duì)小車實(shí)際情況進(jìn)行有效的控制和把握。

1.2電源供電模塊

在對(duì)電源供電模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)轵?qū)動(dòng)小車電機(jī)這一模塊本身所需要的電流以及電壓等方面都明顯比單片機(jī)芯片需求要大很多，在這種情況下，本系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，其電源供電方式主要是采用了雙電源供電的方式。其中，小車電機(jī)供電電源主要是7.4 V電源，8 000 mAh屬于其電池容量，而單片機(jī)在實(shí)際供電過程中則主要是使用了5V電源，2 000 mAh屬于其電池容量[1]。

1.3滅火模塊

這一模塊在實(shí)際安裝過程中，主要是安裝在履帶式小車的正前上方，組成部位主要包括了風(fēng)扇、火焰?zhèn)鞲衅饕约榜R達(dá)，其中，光敏電阻屬于火焰?zhèn)鞲衅鞯暮诵?，一旦光敏電阻在收到火焰發(fā)出的近紅外波長之后，就會(huì)立馬出現(xiàn)高電平輸出現(xiàn)象，同時(shí)還會(huì)將所獲得的滅火信號(hào)反饋給單片機(jī)，而單片機(jī)就可以將這一信號(hào)傳輸給馬達(dá)，最終就能帶動(dòng)風(fēng)扇使其高速旋轉(zhuǎn)吹滅火源。

1.4機(jī)械臂模塊

在這一模塊當(dāng)中，手腕、底座、手指以及手臂屬于其重要組成部分，在這4個(gè)組成部分當(dāng)中，只有手臂存在3個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，而另外3個(gè)組成部分都只是存在一個(gè)舵機(jī)。微型伺服直流電機(jī)就是舵機(jī)，其在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠左右旋轉(zhuǎn)180。，機(jī)端首末端2個(gè)手指還可以在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成夾取動(dòng)作。舵機(jī)接口主要是紅、黃、黑這三線接口，分別對(duì)應(yīng)著+5 V、控制信號(hào)、GND等端。

1.5攝像頭模塊

在無線遠(yuǎn)程控制過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控屬于最為關(guān)鍵的一點(diǎn)，而在本研究設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于機(jī)器人的單目視覺傳感器在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中主要是選擇了CMOS圖像傳感器，這一傳感器具備其自身所獨(dú)有的優(yōu)勢，只需要使用一個(gè)電源就能將信號(hào)直接由光電轉(zhuǎn)換獲得，無論是獲得還是讀取方面都十分地快捷方便。之后就可以將所獲得的圖像或者是視頻應(yīng)用WiFi技術(shù)傳輸?shù)绞殖忠苿?dòng)設(shè)備當(dāng)中，這樣就能有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控這一目的。

1.6電磁炮模塊

在本研究當(dāng)中所使用的電磁炮主要是電磁線圈炮，其組成部分主要包括了100 m長合金銅炮管、5個(gè)并聯(lián)330 μF/450 V電容、LED電容電壓表、2砸銅線圈、可控硅以及DC500升壓器。一旦鋼珠發(fā)射電源，就會(huì)給環(huán)繞炮膛的固定線圈起到供電的作用，并且還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的移動(dòng)磁場，從而讓鋼珠內(nèi)部存在一個(gè)感應(yīng)電流，同時(shí)還能生成相應(yīng)的磁場，產(chǎn)生加速力；最后，在炮管整個(gè)長度上所存在的被加速的鋼珠，就可以及時(shí)有效地發(fā)射出去[2]。

1.7 WiFi模塊以及通信接口

在本研究設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于信息交互這一功能，主要還是在于手持移動(dòng)設(shè)備和單片機(jī)這兩者之間，而這兩者要想實(shí)現(xiàn)這一目的，就必然要利用WiFi技術(shù)，因?yàn)閃iFi模塊本身功能就是加載了Openwrt系統(tǒng)的無線路由器，它連接攝像頭，同時(shí)還能通過這一模塊來接收控制命令。而單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中就能利用通信接口來對(duì)小車電機(jī)、攝像頭、火焰?zhèn)鞲衅鞯饶K進(jìn)行控制。

2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

2.1控制端軟件設(shè)計(jì)

在本研究中基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于系統(tǒng)控制端的設(shè)計(jì)，嵌入式Linux系統(tǒng)的ARM開發(fā)板Tiny210屬于其關(guān)鍵軟件組成部分。嵌入式Linux本身就屬于一個(gè)小型操作系統(tǒng)，在應(yīng)用過程中具備較為顯著的優(yōu)勢，其在使用過程中需要的存儲(chǔ)空間也十分小，適合將其用在移植過程。而對(duì)于系統(tǒng)中的控制軟件，本研究在實(shí)際編寫過程中，所選擇的語言主要是C++，而開發(fā)環(huán)境則主要是選擇了Ubuntu下的QT Creator；套接字Socket編程則屬于機(jī)器人控制軟件，通過這一系列的控制端軟件設(shè)計(jì)，就能將客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)有效連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在這一過程中，控制端和控制對(duì)象這兩者一旦在無線路由器連接過程中屬于同一個(gè)，就可以直接在控制軟件當(dāng)中對(duì)IP地址以及控制端口號(hào)進(jìn)行設(shè)置，如果控制端和控制端對(duì)象能夠成功配對(duì)，控制軟件人機(jī)交互界面中所存在的Qt Web View這一模塊就會(huì)直接接受mjpg流，也就是遠(yuǎn)端視頻數(shù)據(jù)，從而就能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控這一目的。

2.2嵌入式程序運(yùn)行

如果要在ARM板中安裝控制軟件，在此之前一定要已經(jīng)搭建好嵌入式Linux系統(tǒng)的移植，因?yàn)槠鋵儆诳刂栖浖\(yùn)行環(huán)境，只有具備這一項(xiàng)才能有效實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)。針對(duì)這一點(diǎn)，首先在操作過程中，需要使用到SD-Flasher這一工具，而其主要的作用就是將Superboot燒寫到SD卡之中，在完成燒寫之后，還需要在SD卡當(dāng)中建立起images文件夾，在建立好之后就可以在這一文件夾當(dāng)中編寫電容屏的燒寫配置文件，這個(gè)時(shí)候ARM板，一旦在啟動(dòng)過程中是以SD卡模式來進(jìn)行，就可以直接進(jìn)入U(xiǎn)SB下載模式，同時(shí)連接電腦；此時(shí)就可以將之前已經(jīng)編譯完成的文件系統(tǒng)映像通過友善之臂所開發(fā)出的MiniTools拷貝到ARM開發(fā)板的NAND Flash之中，之后將開發(fā)板重啟，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安裝。

2.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

在對(duì)STC89S52單片機(jī)程序進(jìn)行編寫的過程中，其開發(fā)環(huán)境主要就是Keil這一軟件，這一軟件本身和硬件系統(tǒng)存在一定的相似之處，單片機(jī)程序中會(huì)存在不同功能的一些子程序，比如說滅火、串口中斷、監(jiān)聽上位機(jī)指令等子程序。單片機(jī)在上電初始化工作之后，等待接受上位機(jī)的16字節(jié)數(shù)據(jù)包主要包括了4字節(jié)的類型位、4字節(jié)的包頭、8字節(jié)的數(shù)據(jù)位、4字節(jié)的結(jié)束位。

2.4系統(tǒng)調(diào)試

在基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試工作也是關(guān)鍵，而在進(jìn)行這一項(xiàng)工作的時(shí)候，其主要是按照系統(tǒng)分布式控制設(shè)計(jì)理念來對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行一個(gè)個(gè)聯(lián)調(diào)，在實(shí)際聯(lián)調(diào)過程中，首先需要對(duì)ARM開發(fā)板以及單片機(jī)是否能夠有效連接到網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢查，而后需要對(duì)ARM開發(fā)板的觸摸屏是否能夠準(zhǔn)確接收到攝像頭視頻流進(jìn)行檢查，同時(shí)還需要對(duì)攝像頭分辨率以及成像情況進(jìn)行檢查和分析[3]。其次，還需要對(duì)調(diào)試接收到的不同機(jī)器人指令的單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，在各功能模塊都調(diào)試完成之后，就可以再一次進(jìn)行整機(jī)聯(lián)調(diào)，從而結(jié)束調(diào)試工作。

3結(jié)語

綜上所述，本文主要對(duì)基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)機(jī)器人硬件以及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的研究，并且主要是基于單片機(jī)的無線遙控移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)，通過一系列的設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了手持移動(dòng)設(shè)備對(duì)于履帶式機(jī)器人的無線遠(yuǎn)程控制以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，希望能夠?yàn)闄C(jī)器人設(shè)計(jì)作出一定的貢獻(xiàn)，真正提高機(jī)器人設(shè)計(jì)的效果，將其有效地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

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