基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的仿生爬蟲型智能澆花機器人設(shè)計

張澤學(xué)

摘要：本文基于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，結(jié)合了WIFI無線通信技術(shù)、手機APP操作系統(tǒng)、仿生技術(shù)、傳感器技術(shù)建立的一套仿生澆花機器人系統(tǒng)。

Abstract： This thesis is based on embedded development system. A set of bionic watering robot system is established by combining WiFi wireless communication technology， mobile phone app operating system， bionic technology and sensor technology.

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);仿生技術(shù);澆花機器人

0? 引言

隨著人們生活水平的日益提高，人們對家居環(huán)境和空氣質(zhì)量的要求也越來越高。人們往往會通過養(yǎng)植一些綠色植物來改善家居環(huán)境和空氣質(zhì)量，還可以達到緩解工作壓力、放松心情的目的。與此同時，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能手機的快速發(fā)展，用戶可以通過手機APP對設(shè)備系統(tǒng)進行遠程預(yù)警監(jiān)控。基于手機APP的監(jiān)控系統(tǒng)能為設(shè)備的制造方和使用方都帶來極高的經(jīng)濟利益。設(shè)備使用方能隨時遠程掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，這樣即可提高設(shè)備運行的可靠性，避免因設(shè)備故障帶來不必要的損失。本文設(shè)計開發(fā)了一款基于嵌入式技術(shù)，且融合仿生技術(shù)、手機APP軟件無線監(jiān)控技術(shù)、WIFI通信技術(shù)的智能澆花機器人。

1? 功能描述及系統(tǒng)組成

該機器人是通過兩支柔性彎曲傳感器模擬爬蟲的左右觸須，在其行進過程中，如果探測到植物位置，立即停車澆水，澆水量選擇是由彎曲傳感器的形變程度大小決定的，這樣即可達到節(jié)能減排目的。此外，用戶還可以利用WIFI網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合手機端APP對機器人進行短距離遙控澆花，也可以對機器人進行預(yù)約定時澆花。機器人自身具有蓄水箱液位檢測、直流電機自適應(yīng)調(diào)速、電池電量檢測及紅外循跡等功能，這些功能都可以為機器人正常工作，提供安全保障。

①硬件設(shè)計：完成基于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的仿生澆花機器人的開發(fā)、設(shè)計與制作，包括電源模塊、內(nèi)部AD轉(zhuǎn)化對電源模塊的電壓檢測部分、彎曲度傳感器及液位傳感器的測量部分、電機驅(qū)動部分、紅外傳感器循跡部分、機器人的麥克納姆輪執(zhí)行運動部分、WIFI無線通信部分。本設(shè)計通過嵌入式開發(fā)系統(tǒng)對各類傳感器采集到的信息進行初步處理，并對整個硬件系統(tǒng)進行智能控制。硬件設(shè)計可以實現(xiàn)機器人按照設(shè)定路線循跡，通過多種傳感器組合實時采集植物的各項參數(shù)，并將經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)處理后的信息通過WIFI無線通信傳遞給手機APP端。

②軟件設(shè)計：系統(tǒng)軟件設(shè)計是通過WIFI無線通信技術(shù)，將處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶手機APP端上，從而使用戶了解機器人的各項參數(shù)，可以在手機APP端上對機器人發(fā)送相關(guān)的指令，進而控制機器人進行相應(yīng)的澆花操作。在軟件設(shè)計中，最重要的就是在安卓系統(tǒng)建立一個與仿生澆花機器人配套的手機APP系統(tǒng)。

2? 系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

本文主要分為機器人運動系統(tǒng)、傳感器測量系統(tǒng)、WIFI網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)和軟件APP軟件系統(tǒng)四個部分。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

2.1 機器人運動系統(tǒng)

電源模塊為整個系統(tǒng)提供電能，利用光電測速碼盤對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，采用麥克納姆輪的相應(yīng)算法，通過PWM技術(shù)控制四個電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機器人的全方位運動的效果。機器人運動系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 傳感器測量系統(tǒng)

利用紅外循跡模塊，規(guī)劃機器人的澆花運動路線，并使機器人按照此路線進行澆花操作。利用彎曲度傳感器模仿爬蟲的左右觸須，從而探測到植物位置，實現(xiàn)避障功能;通過彎曲度傳感器的彎曲形變程度，判斷出植物茂密程度，并按照疏密程度計算水量，從而立即停車澆水。利用蓄水箱的液位傳感器，對蓄水箱中的水位進行判斷，當水位不足時，及時發(fā)出警報信息通過WIFI發(fā)送給用戶手機APP端，提醒用戶及時蓄水。利用內(nèi)部AD轉(zhuǎn)化對機器人的電源模塊進行電壓檢測，當電壓不足時，將警報信息也通過WIFI發(fā)送給用戶手機APP端，提醒用戶及時蓄電。

2.3 WIFI網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)

利用WIFI網(wǎng)絡(luò)無線通信，結(jié)合手機APP系統(tǒng)，將機器人測量出的植物所處環(huán)境的實時參數(shù)，短距離傳輸給用戶，用戶即可通過手機APP系統(tǒng)遙控機器人進行澆花。利用JAVA開發(fā)語言在Android Studio軟件上開發(fā)一個與系統(tǒng)匹配的手機端APP操作系統(tǒng)。手機APP系統(tǒng)如圖4所示。

3? 結(jié)論

本文設(shè)計一款基于嵌入式系統(tǒng)并且融合了功能仿生技術(shù)、手機APP無線監(jiān)控控制技術(shù)、WIFI無線通信技術(shù)的仿生澆花機器人，其通過仿生爬行類的路徑規(guī)劃、觸角進行循跡和避障，通過手機APP的監(jiān)控控制系統(tǒng)實現(xiàn)無線監(jiān)控和控制自動化澆花的功能，并通過WIFI實現(xiàn)軟硬件之間的無線通信。使用者可以通過手機APP系統(tǒng)獲取盆栽的實時狀態(tài)，從而控制澆花機器人的澆花的時間和澆花的水量。由此可見，仿生澆花機器人包含了功能仿生、自動控制、人工智能、機械工程、信息融合和傳感器技術(shù)，是自主性、適應(yīng)性和交互性綜合為一體的一項設(shè)計系統(tǒng)，其具有可控化程度大、自動化程度高、生產(chǎn)成本低、操作簡易快捷等優(yōu)點。從而可以幫助使用者準確高效的完成照顧盆栽和澆花的任務(wù)，提高人們的生活舒適度和幸福感。

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