朱雨田，陳勁杰，張 波，周 媛

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093)

基于Arduino的移動機器人智能控制系統(tǒng)設(shè)計

朱雨田，陳勁杰，張 波，周 媛

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093)

目前物流行業(yè)中的機器人只用于碼垛等簡單且較機械的工作，有一定局限性。為進一步滿足物流行業(yè)中智能機器人的需求，設(shè)計了一種基于Ardunio的物流機器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以Arduino作為微處理器，通過上位機Android手機端軟件發(fā)送機器人的控制指令，下位機Arduino板接收指令控制電機運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)機器人的控制，同時機器人自身的相關(guān)傳感器保證機器人避障等功能的實現(xiàn)。設(shè)計的機器人在如庫房、倉庫等實際環(huán)境中運行良好，能按預(yù)定線路運動并躲避障礙物，滿足物流環(huán)境中對機器人的使用要求。

移動機器人；Arduino；微處理器；自主避障

目前，物流機器人的應(yīng)用主要集中在包裝碼垛、裝卸搬運兩個作業(yè)環(huán)節(jié)，物流機器人的應(yīng)用具有較大局限性，其他物流作業(yè)環(huán)節(jié)也急需機器人的應(yīng)用，如自主搬運貨物等[1]。

針對以上問題，本文設(shè)計的物流機器人智能控制系統(tǒng)采用“Arduino+Android”模式，即利用Arduino作為控制系統(tǒng)的微處理器，通過藍(lán)牙功能實現(xiàn)對機器人的運動控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，適合物流行業(yè)對機器人的控制使用，且機器人具有自主移動和避障等功能，具有較強的實用性[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該智能物流機器人基于Arduino板和Android智能手機實現(xiàn)機器人的運動控制，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其工作原理是：(1)通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)Android與Arduino的通信；(2)使用手機端軟件將控制命令傳輸?shù)紸rduino處理器，Arduino分析命令做出響應(yīng)；(3)控制電機模塊實現(xiàn)移動機器人的直行、轉(zhuǎn)彎等功能[3]。

該系統(tǒng)分為上位機和下位機兩部分，上位機為帶藍(lán)牙功能的Android手機，采用Android手機端程序作為機器人的控制軟件；下位機則是以Anduino板作為微處理器來對機器人進行整體的運動控制。

該系統(tǒng)各模塊功能如下：

(1)藍(lán)牙模塊。實現(xiàn)Android手機端與Arduino板的通信，兩者間建立通信后，通過手機端軟件將控制命令傳輸?shù)紸rduino板；

(2)MPU6050模塊。采集加速度計三軸(x,y,z)和陀螺儀三軸(x,y,z)數(shù)據(jù)；

(3)超聲波模塊。實現(xiàn)機器人的實時避障功能；

(4)電機驅(qū)動模塊。接收Arduino指令，實時控制電機；

(5)電子羅盤模塊。采集機器人的方位角信息[4]。

2 硬件系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)以Arduino作為微處理器，由MPU-6050模塊提供加速度和角速度數(shù)據(jù)，HMC5883L提供電子羅盤的方位角數(shù)據(jù)，SR04超聲波模塊提供近距離的避開障礙物功能。

2.1 Arduino開發(fā)板

設(shè)計采用的是Arduino UNO R3，Arduino是一款簡單、易上手的開源電子平臺，它包括了Arduino硬件和Arduino開發(fā)環(huán)境軟件。同時Arduino平臺具有跨平臺的特性，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux3種操作系統(tǒng)上運行[5]，其功能標(biāo)注如圖2所示。

圖2 Arduino UNO R3 功能標(biāo)注圖

2.2 MPU-6050模塊

MPU6050首例整合性6軸運動處理組件，是一種常用的空間運動傳感器芯片，可以獲取器件當(dāng)前的3個加速度分量和3個旋轉(zhuǎn)角速度，其具有體積小巧、功能強大、精度高等優(yōu)點。PU6050芯片內(nèi)自帶一個數(shù)據(jù)處理子模塊DMP，已經(jīng)內(nèi)置了濾波算法，在應(yīng)用中使用DMP輸出的數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠較好的滿足要求[6]。

MPU6050芯片采集的數(shù)據(jù)夾雜有較嚴(yán)重的噪音，在芯片處理靜止?fàn)顟B(tài)時數(shù)據(jù)擺動都可能超過2%。除了噪音，各項數(shù)據(jù)還有偏移的現(xiàn)象，也就是說數(shù)據(jù)并不是圍繞靜止工作點擺動，因此要先將數(shù)據(jù)偏移進行校準(zhǔn)，再通過濾波算法消除噪音。

在校準(zhǔn)時只需找出擺動的數(shù)據(jù)圍繞的中心點即可。以GRY_X為例，在芯片處理靜止?fàn)顟B(tài)時，這個讀數(shù)理論上講應(yīng)當(dāng)為0，但它往往會存在偏移量。例如，以10 ms的間隔讀取10個值為： -158.4,-172.9,-134.2,-155.1,-131.2,-146.8,-173.1,-188.6, 142.7, -179.5。

這10個值的均值，也就是這個讀數(shù)的偏移量為-158.25。在獲取偏移量后，每次的讀數(shù)都減去偏移量即可得到校準(zhǔn)后的讀數(shù)[7]。

互補濾波算法的主要思想是充分利用加速度計提供的低頻角度信號和陀螺儀給出的高頻角速度信號，對加速度計和陀螺儀輸出信號分別進行低通和高通濾波，濾除相應(yīng)干擾信號，為兩者的有效融合提供了良好的解決方案。

2.3 電子羅盤模塊

設(shè)計采用霍尼韋爾HMC5883L模塊作為電子羅盤，HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。MC5883L 采用霍尼韋爾各向異性磁阻技術(shù)，該傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點[8]。HMC5883L模塊數(shù)據(jù)采集和處理測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 HMC5883L數(shù)據(jù)結(jié)果采集示意圖

2.4 超聲波模塊

設(shè)計采用SR04超聲波模塊，其既可以發(fā)送超聲波，也可以接收超聲波。當(dāng)發(fā)送的超聲波遇到環(huán)境中的障礙物時就會被反射回來，如果第一次接收到反射波的振幅超過預(yù)先設(shè)置閥值時間t，則已知環(huán)境中的障礙物體距聲吶的距離值為r=c×t/2，這里t為接收的時間間隔，c則是聲音在空氣中的速度[9]。

本設(shè)計中機器人裝有3組SR04超聲波模塊，分別位于機器人的左、中、右3個位置，為避免超聲波模塊之間的聲波干擾，超聲波模塊之間兩兩呈45°布置，如圖4所示。

圖4 超聲波安裝圖

超聲波避障模塊避障原理：先不斷掃描中間的超聲波模塊，得到機器人到障礙物的距離，如果距離小于20 cm，則控制電機立即停止，然后分別掃描左右兩個超聲波模塊到障礙物的距離，并進行比較，如果左邊(左轉(zhuǎn))的超聲波模塊測量得到的距離較遠(yuǎn)，則機器人先控制電機后退一段距離，再左轉(zhuǎn)(右轉(zhuǎn))一定的角度，轉(zhuǎn)向新的方向，以避開障礙物。程序控制框圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障算法框圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)由Arduino控制端軟件和Android手機端程序構(gòu)成，Android手機端程序功能流程如圖6所示[10]。

圖6 Android系統(tǒng)整體流程框圖

3.1 藍(lán)牙模塊

手機端與Arduino板之間的通信采用藍(lán)牙通信，所使用的是HC-06藍(lán)牙模塊。Android藍(lán)牙通信是基于同一個UUID上的同一個Rfcomm信道建立的，而且一個信道通常都是一個服務(wù)端和客戶端點對點通信。Android 藍(lán)牙中服務(wù)器端用一個 UUID 建立監(jiān)聽 Server Socket，客戶端使用同一個 UUID與服務(wù)器端進行連接。Android 官方建議如果通訊對象是手機和串口板，那么推薦使用藍(lán)牙串口服務(wù) UUID，如果通訊對象是兩部手機之間則必須自己生成 UUID[11]。本設(shè)計中，由于下位機是 Arduino 控制板，所以采用藍(lán)牙串口服務(wù) UUID。

在Android中使用藍(lán)牙，需要進行權(quán)限說明。只有這樣才能允許程序發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙并進行藍(lán)牙配對，前者權(quán)限是獲得建立通信信道和傳輸數(shù)據(jù)的權(quán)限，后者是獲得查找設(shè)備和進行藍(lán)牙配置的權(quán)限[12]。圖7是手機連接藍(lán)牙模塊流程圖[13]。

圖7 Android手機連接藍(lán)牙模塊流程圖

3.2 Arduino板控制端軟件設(shè)計

Arduino控制端程序包括處理MPU6050模塊、電子羅盤模塊采集的信息、控制電機驅(qū)動、實現(xiàn)避障等。通過改變驅(qū)動輪電機的轉(zhuǎn)速、方向控制機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能[14]。這些控制指令都是基于Arduino語言編寫的，而Arduino是基于原始代碼的 Simple I/O平臺，其開發(fā)語言類似于 C 語言，其優(yōu)點是把 AVR 單片機相關(guān)的某些寄存器參數(shù)設(shè)置都進行了函數(shù)化。 Arduino 可以使用開發(fā)完成的電子元件如Switch 或 Sensors 或其他控制器、LED、步進電機或其他輸出裝置，由于 Arduino 控制器不能直接驅(qū)動直流電機，因此本設(shè)計中添加了一個電機驅(qū)動器[15]。

4 結(jié)束語

針對物流機器人的不足，設(shè)計了可在物流行業(yè)庫房等處使用的移動機器人。所設(shè)計的機器人是基于Android手機端對機器人的運動進行控制，而Android手機的普及使得操作人員通過手機就能對機器人進行控制，這為機器人的應(yīng)用提供了便利。

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Design of Intelligent Control System for Mobile Robot Based on Arduino

ZHU Yutian,CHEN Jinjie,ZHANG Bo,ZHOU Yuan

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Current logistics industry robots are used for limited simple mechanical work such as stacking. We design a logistics robot control system based on Ardunio for the intelligent robot. With the Arduino as microprocessors, the control system sends control instructions to the robot via PC Android mobile phone. A machine under the Arduino board receives the instructions for controlling the motor operation to realize the control of the robot. The robot related sensors ensure the function of robot obstacle avoidance. The robot runs well in the real environment such as warehouses, capable of a predetermined line movement and avoiding obstacles.

mobile robot; Arduino; microprocessor; autonomous obstacle avoidance

2016- 06- 07

上海市自然科學(xué)基金(13ZR1458500)

朱雨田(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：機器人技術(shù)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.037

TP242

A

1007-7820(2017)05-135-04