季彬銘+潘寶珠+王愛紅+許惟超+孫靜
摘 要:設計了一種基于體感控制模塊的新型遙控輪式機器人。利用信息檢測模塊(數(shù)字加速度傳感器)測量體感控制模塊姿態(tài)的數(shù)字信號,經(jīng)由中央處理器模塊(單片機)進行處理,將得到的傾角和傾斜方向轉(zhuǎn)化為控制信號,利用通信模塊(無線藍牙)進行信息傳輸,通過電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流電機,實現(xiàn)輪式機器人的運動控制。
關鍵詞:機器人;STC89C52單片機;加速度傳感器;無線藍牙傳輸
1 概述
體感技術的特點,在于人們不必使用任何復雜的控制設備,直接地進行肢體動作,便可讓人們身臨其境地與周邊的裝置或環(huán)境進行互動。近年來體感技術廣泛應用于3D虛擬現(xiàn)實、空間鼠標、游戲手柄、運動監(jiān)測、健康醫(yī)療照護等領域,取得了巨大的發(fā)展[1-2]。
該設計是以兩個單片機為控制核心,數(shù)字加速度計作為體感元件,以直流電機作為驅(qū)動與轉(zhuǎn)向裝置,利用無線藍牙技術進行通信的智能操控系統(tǒng)。本設計體現(xiàn)了檢測、電路、自動控制和無線傳輸?shù)确矫娴募夹g,可在特定環(huán)境中完成體感控制,穩(wěn)健行駛。
2 無線通信模塊(藍牙)的總體設計
該智能機器人系統(tǒng)是由中央處理器模塊(單片機)、無線通信模塊(藍牙)、信息檢測模塊(數(shù)字式加速度傳感器)、電機驅(qū)動模塊、電源等部分組成,其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
中央處理器模塊選用STC89C52單片機[3],是體感型智能輪式機器人的關鍵;信息檢測模塊采集到加速度信號經(jīng)過處理器進行分析和處理,然后通過電機驅(qū)動模塊控制機器人的運行狀態(tài),從而實現(xiàn)輪式機器人平穩(wěn)行駛。
信息檢測模塊選擇ADXL345數(shù)字式加速度傳感器[4]。ADXL345傳感器具有體積小、功耗低、分辨率高,測量范圍大(±16g)的特點。單片機可通過SPI或I2C通信方式直接從ADXL345內(nèi)部的DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1 6個寄存器中讀出加速度數(shù)據(jù)。通過對這6個寄存器的數(shù)據(jù)進行組合得出 X,Y和Z三軸的加速度數(shù)據(jù),加速度值與數(shù)字輸出數(shù)據(jù)呈線性關系。本設計采用兩線制的I2C總線協(xié)議,可以用于三輪或四輪智能機器人的控制。
3 加速度測量原理
設α,β和γ分別為力F與X軸、Y軸和Z軸的夾角,如圖2所示。根據(jù)力學知識可得,力F在X軸、Y軸和Z軸上投影的表達式為:
根據(jù)牛頓第二定律,加速度與力的矢量表達式為:
聯(lián)立方程式(1)、(2),可得加速度分量的表達式為:
傳感器平穩(wěn)時,此時傳感器僅受到重力作用,加速度a=g。通過變換,判斷傳感器姿勢,并得出角度方程式為:
其中,加速度ax,ay和az分別為數(shù)字式加速度傳感器測得的在X軸,Y軸和Z軸上的加速度。
4 程序設計
采用模塊化設計方法,在Keil uVersion5環(huán)境下采用C語言編寫程序。相關程序主要包括主程序、電機驅(qū)動程序、遙控控制程序等,系統(tǒng)軟件總流程圖如圖3所示。
5 結(jié)束語
本設計采用ADXL345數(shù)字式加速度傳感器作為體感控制器,經(jīng)典的STC89C52單片機作為中央處理器,性價比較高的UART藍牙技術作為通信手段,實現(xiàn)了通過手勢改變無線控制智能輪式機器人運轉(zhuǎn)的目的。通過改變體感遙控器的前傾、后傾、左傾和右傾的姿勢,無線遙控了機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的運動。實驗測試結(jié)果顯示:輪式機器人符合體感控制要求,反應靈敏,行動可靠。
參考文獻
[1]林德江,井志勝,王國德,等.基于Leap Motion體感控制技術的數(shù)字化展示系統(tǒng)研究[J].火炮發(fā)射與控制學報,2015,36(04):86-90.
[2]師丹瑋.體感操控:視覺識別比加速度傳感器更適合[J].集成電路應用,2013,08:22-23.
[3]陳明妙,吳汶,李曼.基于STC89C52單片機的智能尋跡小車的設計[J].湛江師范學院學報,2013(6).
[4]袁西,陳棟,田湘,等.三軸數(shù)字加速度計ADXL345及其在捷聯(lián)慣導中的應用[J].電子設計工程,2010(3).