王素青，黃文龍

(南京航空航天大學 金城學院，南京 211156)

基于Android的雙輪機器人控制系統(tǒng)研究與設計*

王素青，黃文龍

(南京航空航天大學 金城學院，南京 211156)

雙輪機器人系統(tǒng)具有與傳統(tǒng)倒立擺相似的多變量、非線性、強耦合和參數(shù)不穩(wěn)定等特點。針對系統(tǒng)的復雜性，文章提出了基于Android平臺和藍牙通信模塊實現(xiàn)對移動機器人的無線控制方式，采用基于DMP和Kalman濾波相結合的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理算法及雙閉環(huán)PID控制算法相結合的控制方法，實現(xiàn)雙輪機器人的自平衡控制。文中創(chuàng)新地在系統(tǒng)上增加兩個機械臂，借助機械臂能夠使系統(tǒng)快速恢復平衡以及當系統(tǒng)休眠時，借助機械臂保持平衡實現(xiàn)節(jié)能的目的。測試結果表明，該系統(tǒng)能夠通過藍牙準確地發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、時間響應快。

雙輪機器人；Android；藍牙；DMP和Kalman濾波；PID控制

0 引言

隨著傳感器技術、通信技術、自動控制技術和人工智能技術的快速發(fā)展，機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、軍事等領域的應用越來越廣泛。雙輪機器人因其運動靈活、結構簡單、能夠適應不同的工作環(huán)境等特點，在軍事領域及其他領域有著廣泛的應用前景。雙輪機器人具有與傳統(tǒng)倒立擺相似的多變量、非線性、強耦合和參數(shù)不穩(wěn)定等特點，是研究多種控制方法的理想平臺[1]。針對雙輪自平衡機器人系統(tǒng)的復雜性，國內(nèi)外很多學者對其控制方法進行了一定的研究，主要有PID控制法、狀態(tài)反饋控制器(LQR)控制法[2]、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制法[3]等等。目前，較成熟的機器人控制方式主要有[4]：語音控制方式、紅外線遙控方式、基于WiFi無線網(wǎng)絡控制方式、基于GSM/GPRS網(wǎng)絡的遠程控制方式等，這些控制方式基本滿足了現(xiàn)有機器人的應用需求。但是這幾種控制方式存在不便于攜帶、移動性較差、且控制環(huán)境需要網(wǎng)絡等問題。

針對以上問題，并且基于成熟的藍牙技術和Android在移動互聯(lián)網(wǎng)市場份額的不斷增長，本文提出了利用手機的藍牙通信功能實現(xiàn)對移動機器人無線控制的解決方案，系統(tǒng)的控制方法則采用的是基于DMP和Kalman濾波相結合的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理算法及雙閉環(huán)PID姿態(tài)控制算法，實現(xiàn)雙輪機器人的自平衡控制。另外，在系統(tǒng)硬件結構上，創(chuàng)新地增加兩個機械臂，其作用有兩個方面：①在系統(tǒng)失去平衡時，能夠借助機械臂使系統(tǒng)快速恢復平衡；②在不需要工作時，可遙控系統(tǒng)使其處于休眠狀態(tài)，僅借助機械臂保持系統(tǒng)平衡，達到節(jié)能的目的。

1 系統(tǒng)的硬件設計

雙輪機器人控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能為：在沒有外界作用力的情況下，僅依靠自身控制系統(tǒng)，完成上位機發(fā)出的指令動作(自啟、休眠、前進、后退、左轉、右轉和原地等待等)，在運行過程中能保持姿態(tài)的平衡。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，所設計的系統(tǒng)硬件電路結構框圖如圖1所示，系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，上位機采用帶藍牙通訊功能的Android手機，下位機主要由微處理器模塊、姿態(tài)檢測模塊、機械臂模塊、直流電機驅動模塊、編碼器、藍牙通信模塊及電源模塊等幾部分構成。電源模塊負責系統(tǒng)各個模塊控制電路的電源。微處理器模塊是下位機的核心部件，用來接收姿態(tài)檢測模塊實時采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機指令控制系統(tǒng)進行相應的動作。姿態(tài)檢測模塊實時對系統(tǒng)的姿態(tài)信息進行采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器。機械臂模塊根據(jù)微處理器輸出的PWM信號控制機械臂的相應動作。直流電機驅動模塊根據(jù)微處理器輸出的PWM信號控制直流電機的速度和方向。編碼器負責實時對直流電機的速度和方向進行測量，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，形成閉環(huán)控制。藍牙通信模塊負責上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)進行無線傳輸。

圖1 系統(tǒng)的硬件電路結構框圖

(1) 微處理器模塊

系統(tǒng)中微處理器模塊選用的是意法半導體公司的STM32F103C8T6，它是一種基于Cortex-M3內(nèi)核的32位CPU，最高工作頻率為72MHz，片上集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器。片上集成了SPI，I2C和USART等通信接口，可以方便地和姿態(tài)檢測傳感器和藍牙通訊模塊進行數(shù)據(jù)交換。含有7個定時器，可輸出多路PWM信號能確保電機驅動模塊獲得穩(wěn)定的PWM波形，避免軟件的頻繁中斷為系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素。

(2)姿態(tài)檢測模塊

系統(tǒng)中姿態(tài)檢測模塊選用的是美國InvenSense公司的MPU-6050，整合了3軸陀螺儀和3軸加速度計，能夠準確的對機器人的姿態(tài)進行實時檢測[5-6]。系統(tǒng)中MPU-6050作為從機使用，通過SDA和SCL端口和主機STM32進行通信，其檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置的16位AD轉換器進行轉換，然后將16位數(shù)字量通過I2C總線接口發(fā)送給主機。

(3) 電機驅動模塊

系統(tǒng)中直流電機驅動模塊選用的是TOSHIBA公司的一款具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出的TB6612FNG驅動模塊，它和傳統(tǒng)的L298N相比，不需外加散熱片，外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容就可以直接驅動電機，體積減小很多。

(4) 機械臂模塊

系統(tǒng)中機械臂模塊選用的是Tower Pro公司生產(chǎn)的MG996R大扭矩舵機驅動器，采用金屬齒輪及軸承，驅動信號為PWM，根據(jù)PWM信號的占空比不同轉到對應不同位置，其具有扭矩大、反應快、精度高、性價比高等特點。

(5) 藍牙通信模塊

系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)通信模塊選用的是HC-06藍牙模塊，該模塊內(nèi)置藍牙V2.0協(xié)議標準的CSR藍牙通信芯片，可以與手機上的藍牙進行匹配。HC-06模塊和Android手機通過串口形式進行數(shù)據(jù)無線傳輸。

2 系統(tǒng)的下位機軟件設計

2.1 系統(tǒng)的下位機總體流程設計

系統(tǒng)的下位機主程序流程圖如圖2所示，主要由初始化程序、下位機與上位機的通訊程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、Kalman濾波程序、直流電機控制程序和舵機控制程序等幾部分組成。

系統(tǒng)啟動后，首先進行初始化，然后執(zhí)行下位機與上位機的通訊程序，判斷是否已連接上位機，若連接上，則根據(jù)上位機的控制指令執(zhí)行相應的動作。每隔5ms采集一次MPU-6050傳感器的角度和角速度數(shù)據(jù)，然后調(diào)用Kalman濾波程序計算出最優(yōu)估計值，根據(jù)直流電機控制程序中雙閉環(huán)PID控制算法計算出PWM信號，根據(jù)PWM的輸出來控制直流電機的速度和方向。舵機控制程序根據(jù)上位機的控制指令來判斷機器人系統(tǒng)的兩個機械臂是收起還是放下。

圖2 系統(tǒng)的下位機主程序流程圖

2.2 數(shù)據(jù)濾波處理

由于自平衡機器人系統(tǒng)需要在動靜態(tài)情況下均能準確的測量出機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此需要對陀螺儀和加速度計的采集數(shù)據(jù)進行濾波處理而得到最優(yōu)值，本系統(tǒng)采用DMP濾波和Kalman濾波相結合的方案實現(xiàn)對機器人不穩(wěn)定的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行濾波處理[7]。

(1)DMP濾波

DMP濾波是采用MPU-6050自帶的數(shù)字運動處理器(DMP：Digital Motion Processing)，它可接收并處理來自陀螺儀和加速度計的采集數(shù)據(jù)，處理結果可直接從DMP寄存器讀出，且比直接從陀螺儀和加速度計讀出的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定。

(2)Kalman濾波

Kalman濾波算法是以最小均方誤差為最佳估計準則的遞歸數(shù)據(jù)處理算法，利用前一時刻的估計值和當前時刻的測量值來更新對狀態(tài)變量的估計，最終求出當前時刻的最優(yōu)估計值。

根據(jù)Kalman濾波原理，要估計k時刻的傾角，需要根據(jù)k-1時刻的傾角值來預測k時刻傾角，并得到k時刻的高斯噪聲偏差。系統(tǒng)中，陀螺儀測量的角速度作為預測值的控制量，加速度計測量的角度作為測量值，根據(jù)兩者的協(xié)方差不斷進行遞歸算法直到估計出最優(yōu)傾角。Kalman濾波方程如式(1)～式(5)所示[8]。

X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)+BU(k)

(1)

P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q

(2)

Kg(k)=P(k|k-1) HT/(HP(k|k-1)HT+R)

(3)

X(k|k)=X(k|k-1)+Kg(k)(Z(k)-HX(k|k-1))

(4)

P(k|k)=(I- Kg(k)H)P(k|k-1)

(5)

式(4)為狀態(tài)估計方程，Z(k)=Accel為加速度計的角度測量值。

2.3 姿態(tài)控制算法

經(jīng)過硬件濾波和軟件濾波后的機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)質(zhì)量有明顯改善，有利于對機器人進行姿態(tài)控制。本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID控制算法對機器人系統(tǒng)進行自平衡控制，其結構框圖如圖3所示，速度閉環(huán)控制作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，姿態(tài)閉環(huán)控制作為系統(tǒng)的外環(huán)。

姿態(tài)閉環(huán)控制[11]采用了PD控制器，利用數(shù)據(jù)濾波處理后的傾角和角速度的最優(yōu)值和給定姿態(tài)傾角進行比較，得到誤差信號，然后經(jīng)過PID控制器處理后得到輸出值，其輸出值作為內(nèi)環(huán)的輸入量。PID的輸出控制電機PWM信號的占空比，表達式為：

PWM=Kp×θ+Kd×θ·

(6)

速度閉環(huán)控制采用了P控制，利用增量編碼器檢測到的實時速度和給定速度進行比較得到誤差信號，然后經(jīng)過PID控制器處理后得到輸出值，其輸出作為電機PWM信號占空比的增量值，表達式為：

ΔPWM=Ksp×speed

(7)

姿態(tài)閉環(huán)控制和速度閉環(huán)控制是相互影響的[12]，將其融合后的PWM信號為：

PWMzong=Kp×θ+Kd×θ·+Kps×speed

(8)

圖3 系統(tǒng)雙閉環(huán)PID控制算法框圖

經(jīng)過PID控制算法后得到PWM信號，由微處理器直接發(fā)送給直流電機驅動模塊，從而控制直流電機的速度和方向。電機驅動模塊輸出兩路PWM信號，使用時通過給其中一路占空比為零，另外一路不為零的方法來控制電機的正反轉[13]。

3 系統(tǒng)的上位機軟件設計

上位機軟件運行平臺采用Android平臺，由運行在Android手機上的APP應用程序來實現(xiàn)機器人的無線控制，且Android手機能夠實時接收、存儲和顯示系統(tǒng)的姿態(tài)信息。Android應用程序采用Java語言編程軟件實現(xiàn)，其程序流程圖如圖4所示，主要由藍牙通信程序設計[14]、UI控制程序設計、UI顯示程序設計。

圖4 系統(tǒng)的上位機程序流程圖

3.1 藍牙通信程序設計

Android設備和藍牙模塊進行通信，需要完成4個步驟[15]：①藍牙打開：使用getDefaultAdapter( )方法來判斷設備是否支持藍牙傳輸功能，確認有藍牙后再調(diào)用isEnabled( )方法來檢查藍牙是否可用，打開藍牙。②藍牙搜索：調(diào)用startDiscovery( )方法搜索附近已配對或可用的設備，將搜索到的設備名稱和MAC地址存儲在列表中。③藍牙連接：藍牙配對后還必須通過藍牙連接，連接成功后才可以進行數(shù)據(jù)傳輸，手機藍牙和藍牙模塊要彼此共享RFCOMM通道，調(diào)用Bluetoothdevice類中的createRfcommSocketToServiceRecord(MY-UUID)方法，獲取BluetoothSocket后才能建立連接。④數(shù)據(jù)通信：連接成功后，手機藍牙和藍牙模塊擁有同一個BluetoothSocket，通過getInputStream( )和getOutputStream( )方法獲取輸入輸出數(shù)據(jù)流，然后調(diào)用write( )、read( )方法寫入或讀出數(shù)據(jù)，實現(xiàn)藍牙數(shù)據(jù)的通信。藍牙通信程序設計即按照藍牙通信的4個步驟進行相應的程序設計。

3.2 UI控制程序設計

UI控制程序設計是指在上位機上編寫界面及程序用以實現(xiàn)對機器人的遠程控制。UI控制界面上共布局9個Button按鈕，分別控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，按鈕布局如圖5所示，界面中間的5個按鈕分別控制的動作為：左轉、前進、右轉、后退、停止(中間按鈕)，界面下方的4個按鈕分別控制的動作為：休眠、附加功能(待擴展用)、機械臂收、機械臂放。每個按鈕組件的屬性都需進行設置，此外，每個按鈕組件都綁定一個監(jiān)聽事件，當單擊某一按鈕時，就會啟動對應的監(jiān)聽事件onClick(View arg0)，從而執(zhí)行監(jiān)聽事件里的程序，即執(zhí)行代碼sendMessage(“ ” +1)(每個按鈕對應一個字符串：+1～+9，此次“+1”代表“前進”按鈕)，調(diào)用sendMessage( )函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)中代碼：byte[] send=message.getBytes( ); mChatService.write(send)，調(diào)用write( )函數(shù)，執(zhí)行函數(shù)中代碼：mmOutStream.write(buffer);mHandler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_WRITE,-1,-1,buffer).sendToTarget()，將數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)并給mHandler發(fā)送消息。

3.3 UI顯示程序設計

UI顯示程序設計是指在上位機界面上實時顯示遠程機器人的當前傾角和實時速度。UI顯示界面上共布置2個TextView組件，組件的名稱屬性設置語句分別為：android:id=“@+id/qingjiao”，android:id=“@+id/sudu”，組件初始化語句分別為：qingjiao.setText(“當前傾角: ”)，sudu.setText(“實時速度: ”)。Android設備和藍牙模塊都有一個ConnectedThread線程，一旦有數(shù)據(jù)進來，就會調(diào)用mHandler. obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_READ,bytes,-1,buffer).sendToTarget()，即給mHandler發(fā)送消息。當前傾角和實時速度的信息更新是利用read( )方法從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，其更新代碼為：qingjiao.setText(“當前傾角: ”+readMessage.substring(1)); sudu.setText(“實時速度: ”+readMessage.substring(0))。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 系統(tǒng)的整體調(diào)試

調(diào)試之前，先檢查系統(tǒng)的接線是否正確，供電是否正常，硬件檢查沒有問題后便可進行下載程序，然后分模塊進行調(diào)試，具體為：測試電機驅動電路，測試機械臂模塊，測試姿態(tài)檢測模塊，測試藍牙通信模塊等，調(diào)試都通過后即可進行整體調(diào)試。

在手機上安裝上位機APP應用程序：BluetoothChat.apk，打開程序，進行藍牙配對和連接，連接成功后操作手機控制界面上不同功能的按鈕，系統(tǒng)能夠完成和按鈕所對應的動作。系統(tǒng)在運行時，手機顯示界面上能夠實時顯示當前傾角和實時速度具體數(shù)值并且數(shù)值能夠更新。

4.2 系統(tǒng)的PID參數(shù)整定

系統(tǒng)的PID控制參數(shù)需要通過多次實驗進行試湊法進行整定，整定出能使系統(tǒng)平衡的最佳參數(shù)。

姿態(tài)閉環(huán)PID控制的調(diào)試過程：首先調(diào)整Kp值，讓系統(tǒng)能站立且抖動相對較?。唤又３諯p不變，調(diào)整Kd值，進一步減少抖動；最后微調(diào)Kp和Kd，使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，經(jīng)多次調(diào)試得到，當Kp=4.45、Kd=0.75時，系統(tǒng)能夠在10s內(nèi)達到平衡狀態(tài)。

采用同樣方法，對速度閉環(huán)PID參數(shù)進行多次調(diào)試，當Ksp=6.5時，系統(tǒng)能快速穩(wěn)定的達到平衡狀態(tài)。

4.3 系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)試

Kalman濾波方程中的協(xié)方差矩陣Q中D(Angle)和D(Q_bias)的不同取值代表濾波器對傳感器的不同信任程度且對濾波效果造成不同影響。通過多次實驗修正，當D(Angle)值為0.001，D(Q_bias)值為0.003，角度測量噪聲值R_angle值為0.5時，濾波器能達到較好的濾波效果。

當系統(tǒng)失去平衡時(平衡條件：連續(xù)50組傳感器輸出傾角均小于±100)，通過12次實驗測試可得：在有機械臂情況下，系統(tǒng)能夠在10s內(nèi)重新恢復平衡；在無機械臂情況下，系統(tǒng)能夠在25s內(nèi)重新恢復平衡。表1中僅列出了6組實驗測試數(shù)據(jù)。

表1 系統(tǒng)恢復平衡的時間比較表

系統(tǒng)平衡時，施加一個外力使系統(tǒng)傾角±45°≤θ≤±60°時，要求系統(tǒng)能迅速響應這個外力作用，并能快速減小傾角變化，重新建立平衡狀態(tài)。通過多次調(diào)試及修正PID參數(shù)，最終系統(tǒng)受到這樣的外力作用時，能夠在25s內(nèi)通過自身調(diào)節(jié)達到自平衡狀態(tài)。系統(tǒng)運行時，手機控制界面如圖5所示，此時系統(tǒng)處于“左轉”運行狀態(tài)，當前傾角為-5.737°，實時速度為1.867轉/s。機器人平衡時效果圖如圖6所示。

圖5 手機控制界面

圖6 機器人平衡時效果圖

5 結束語

本文研究和設計了一個基于Android的雙輪機器人控制系統(tǒng)，利用手機的藍牙功能實現(xiàn)對移動機器人的無線控制，系統(tǒng)采用基于DMP和Kalman濾波相結合的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理算法及雙閉環(huán)PID姿態(tài)控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡控制。系統(tǒng)能夠借助機械臂，使其快速恢復平衡或實現(xiàn)節(jié)能的目的。實驗結果表明，通過藍牙可以實時地、靈活地控制機器人的運行狀態(tài)，并能實時顯示當前姿態(tài)信息，系統(tǒng)也能快速穩(wěn)定地達到自平衡狀態(tài)。文中提出的無線控制方案及控制方法在小型移動機器人系統(tǒng)的控制方面有一定的應用前景。

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(編輯 李秀敏)

The Research and Design of the Two-Wheel Robot Control System Based on Android

WANG Su-qing, HUANG Wen-long

(JinCheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211156, China)

The two-wheel robot system had the traditional pendulum similar multivariable, nonlinear, strong coupling and parameter instability and so on. For the complexity of the system, realization of wireless mobile robot control based on the Android platform and Bluetooth communication module is proposed in this paper. The self-balancing control of the two-wheel robot is achieved using a combination of control methods which are attitude data processing algorithm based on DMP and Kalman filter and double-loop PID control algorithm. The two arms are increased innovatively on the system, with which can quickly restore balance and maintain balance in order to achieve energy-saving purposes when the system is dormant. The test results show that the system can accurately send data and receive data via bluetooth. The system has high accuracy, good stability, and fast response time.

two-wheel robot; Android; bluetooth; DMP and Kalman filter; PID control

1001-2265(2016)12-0060-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.017

2016-08-08；

2016-09-18

南京航空航天大學金城學院大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目(2015048YP)

王素青(1976—)，女，江蘇鹽城人，南京航空航天大學金城學院講師，碩士，研究方向為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，(E-mail) wsq0214@nuaa.edu.cn。

TH166;TG659

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