手機(jī)遙控監(jiān)控機(jī)械臂智能車的設(shè)計

黃恒一 付三麗

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

1 引言

科技在不斷進(jìn)步，智能化的設(shè)備不斷普及和應(yīng)用，促使機(jī)械化自動化的設(shè)備應(yīng)運而生，由于現(xiàn)實生活環(huán)境中的一些極端天氣條件及人類不便作業(yè)的地方對智能機(jī)械化作業(yè)的需求，因此，用機(jī)械臂代替人類雙手完成某些工作是有必要的，特別是在一些特殊的場合，比如警察在碰到炸彈時由于環(huán)境危險，可利用履帶機(jī)器人完成工作；還有在存在毒氣、狹窄的縫隙，崎嶇的山地，需要搬運一些有輻射的物體，這些場景都能體現(xiàn)機(jī)械臂智能車的優(yōu)勢[1]。本文設(shè)計了一款手機(jī)藍(lán)牙無線監(jiān)控智能車，具有低成本、便捷性、易操作等特點。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的智能手機(jī)控制機(jī)械臂智能車能實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域物品的實時監(jiān)控及抓取作業(yè)。該智能車的優(yōu)勢是操作便捷，容易上手，同時智能車主體硬件部件構(gòu)造簡單，除無線抓取功能之外，還可以實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域圖像信息的回傳顯示監(jiān)控[2,3]。

2.1 智能小車設(shè)計思路

智能車Arduino單片機(jī)核心控制模塊負(fù)責(zé)控制小車的各種操作以及連接各模塊；BT18藍(lán)牙通信模塊用于智能手機(jī)與遙控履帶車的信息交互，負(fù)責(zé)將接收APP發(fā)出的指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中從而進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信；電源模塊選用兩節(jié)4.2v電池電源供電；驅(qū)動模塊利用舵機(jī)控制機(jī)械臂抓取功能完成抓取作業(yè)；監(jiān)控模塊選用WIFI數(shù)傳，實時在手機(jī)上傳輸視頻；驅(qū)動模塊驅(qū)動兩臺微型直流電機(jī)，使履帶車實現(xiàn)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向功能[4]。

2.2 智能車的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的機(jī)械臂智能車硬件部分分為5個模塊，分別是Arduino板核心控制模塊，監(jiān)控模塊，藍(lán)牙通信模塊，電源模塊，驅(qū)動模塊。其中主控模塊用于實現(xiàn)智能車主體各種功能的控制及數(shù)據(jù)的處理；藍(lán)牙模塊用于智能車與用戶之間的數(shù)據(jù)交互；驅(qū)動模塊實現(xiàn)智能車機(jī)械臂的控住操作；監(jiān)控模塊實現(xiàn)智能車主體攝像頭與目標(biāo)區(qū)域圖像信息的采集；電源模塊用于實現(xiàn)對智能車主體部件的電源供電。

圖1 智能車俯視圖

圖2 智能車帶監(jiān)控模塊圖

圖1為不含外接監(jiān)控模塊智能車主體，圖2所示為含外接監(jiān)控模塊藍(lán)牙智能車主體，圖2所示為手機(jī)監(jiān)控端可以通過WiFi的方式接收智能車主體上攝像頭回傳的監(jiān)控畫面[5]。

2.2.1 智能車外接監(jiān)控模塊

智能車外接監(jiān)控模塊選用工作電壓5V工作電流1.0A的WiFi智能模塊，智能車搭載這個模塊來實現(xiàn)圖像信息的傳送，本模塊供電口為5V充電寶進(jìn)行供電，USB接口連接攝像頭再通過手機(jī)APP連接設(shè)備的WiFi即可實時視頻傳輸。

圖3 監(jiān)控模塊外接電源接口

圖4 監(jiān)控模塊外接免驅(qū)攝像頭接口

圖3、圖4監(jiān)控模塊相關(guān)外接部件配置完畢后，用戶即可實現(xiàn)對智能車外接監(jiān)控圖像信息的回傳查看。

圖5 智能車監(jiān)控測試

圖6 PC端監(jiān)控回傳圖像信息

由圖6可知，當(dāng)智能車處于正常運行時，與智能車車身路由器網(wǎng)關(guān)處于同一局域網(wǎng)環(huán)境中的終端設(shè)備，也可以通過瀏覽器端實現(xiàn)對監(jiān)控圖像信息的回傳查看。

2.2.2 智能車機(jī)械臂模塊

文中智能車機(jī)械臂模塊選用三個MG90S舵機(jī)，其中兩個為一個整體，兩個舵機(jī)配合來完成機(jī)械臂的移動功能，第三個控制機(jī)械爪的張開閉合。通過stm32本身的PWM端口生成相應(yīng)的波形，編程用于控制機(jī)器手臂的動作程序以實現(xiàn)對舵機(jī)的控制。

MG90S舵機(jī)工作其原理是控制電路接收來自信號源的控制脈沖，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，齒輪將速度呈大倍數(shù)降低，并將輸出扭矩放大到響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器隨末位動級轉(zhuǎn)動，測量舵機(jī)的轉(zhuǎn)角角度；電路板根據(jù)電位計檢測判斷舵機(jī)的轉(zhuǎn)角角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。為了模擬舵機(jī)轉(zhuǎn)向，外部控制器必須輸出PWM信號，以指示舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。舵機(jī)控制器所需的編碼信息是脈沖寬度。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬范圍0.5ms~2.5ms，分別對應(yīng)-90o到+90o的位置(對于180o舵機(jī))。

用戶手機(jī)端APP通過發(fā)送控制機(jī)械臂爪子不同的指令至智能車主控芯片，通過智能車主控芯片進(jìn)行解碼，來控制智能車機(jī)械臂手臂產(chǎn)生不同的效果[6,7]。

圖7 智能車機(jī)械臂控制端APP

圖8 智能車機(jī)械臂小臂

2.3 智能車軟件部分

智能車軟件部分分為三部分，分別為機(jī)械臂小車運行狀態(tài)用戶控制端手機(jī)APP軟件、智能車芯片主程序及智能車監(jiān)控端手機(jī)APP。

2.3.1 程序設(shè)計流程

總體程序流程分為三個部分，第一個部分主要用來控制小車的運動以及舵機(jī)的運轉(zhuǎn)，也就是機(jī)械臂的控制；第二部分控制圖像傳輸；第三個部分是智能車主體芯片程序。

圖9 程序設(shè)計流程圖

其中，智能車主控芯片程序是通過Keil軟件進(jìn)行開發(fā)；手機(jī)控制端APP適合初學(xué)者使用的網(wǎng)頁制作平臺，在MITApp inventor平臺上，可以通過拖動各種功能按鍵實現(xiàn)軟件的制作，組件設(shè)計和邏輯設(shè)計都十分方便；智能車監(jiān)控端手機(jī)APP，最佳的方案是利用Java語言在eclipse IDE進(jìn)行開發(fā)[8,9]。

2.3.2 APPInventor程序設(shè)計

APPInventor2是一個在網(wǎng)頁上就能進(jìn)行操作的可視化安卓應(yīng)用程序制作平臺。用戶只需要使用瀏覽器打開APP Inventor2的平臺網(wǎng)站，使用賬戶登錄后即可通過拖拽組件和邏輯塊來完成安卓應(yīng)用程序的制作，操作十分簡便，入門門檻較低，不同于傳統(tǒng)的APP制作開發(fā)需要Java語言的基礎(chǔ)和Android應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，而且其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。

論文中智能車用戶控制端APP是在APPInventor2開發(fā)平臺上開發(fā)完成的，主要是用來遙控機(jī)械臂智能車的各種功能，對小車發(fā)送前進(jìn)、退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、機(jī)械臂模塊的相關(guān)指令功能。

圖10和圖11所示為智能車用戶端APP軟件設(shè)計的相關(guān)界面。

2.3.3 智能車監(jiān)控端APP的設(shè)計

監(jiān)控端APP通過準(zhǔn)備好JDK，android SDK，ADT和開發(fā)工具Eclipse構(gòu)建APP開發(fā)平臺，采用Java語言編寫。

圖10 APP界面端

圖11 APP邏輯代碼界面

圖12 監(jiān)控APP開發(fā)組件

圖13 監(jiān)控APP開發(fā)界面

通過圖13可知道，所開發(fā)的監(jiān)控端APP，可以實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域圖像的實時監(jiān)控及抓拍[10]。

3 結(jié)語

論文設(shè)計的機(jī)械臂智能車可以在一些極端條件下輔助人類進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。雖然智能車還存在避障、傳感、自主導(dǎo)航等一些技術(shù)問題需要進(jìn)一步拓展研究，但是相信隨著科技的進(jìn)步，未來人們可以通過機(jī)器人和機(jī)器車來代替人們?nèi)ヌ幚硪恍┪ｋU、困難、艱苦的工作，使科技服務(wù)于人類，推動社會的進(jìn)步。