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        感應式移動小車控制系統(tǒng)研究

        2017-12-07 09:18:51夏子棋李艷剛王禹雷鳴
        卷宗 2017年33期
        關鍵詞:安卓藍牙算法

        夏子棋+李艷剛+王禹+雷鳴

        摘 要:該設計是一種智能跟隨機器人,由小車端和手機端兩部分構(gòu)成。小車端裝有電子羅盤、紅外線、超聲波、藍牙等模塊,使用Arduino主板作為小車的控制主板;手機端控制APP,負責采集手機的傳感器數(shù)據(jù)并加以處理,最后轉(zhuǎn)化為對應的指令通過藍牙模塊發(fā)送給小車執(zhí)行。其中,使用了加速度傳感器、方向傳感器和電子羅盤等傳感器計算人的移動方向,并不斷嘗試提高算法的準確性和高效性,盡量避免出現(xiàn)較大的延遲,做到人與小車的同步移動。

        關鍵詞:安卓;Arduino;藍牙;跟隨;算法

        1 研究目的及思路

        智能跟隨機器人,即不需要人操控便可智能跟隨人移動的機器人,只服務于確定的某一領域。它融合了多個學科和技術(shù)領域,從一定程度上來說,機器人是衡量現(xiàn)代科技和高端制造業(yè)水平的重要標志,也是搶占智能社會發(fā)展先機的戰(zhàn)略領域,象征著一個國家的科學技術(shù)發(fā)展水平及綜合實力。

        智能跟隨機器人還屬于比較新的領域,市場上銷售、使用的相對較少,且價格昂貴。目前推出的智能跟隨機器人中,比較好的有由意大利公司Piaggio推出的私人貨物運輸機器人Gita、由我國鼎盛智能科技有限公司推出的ibotn,其平均售價為5000元,價格過高,難以大范圍普及。

        本文主要描述了如何發(fā)明一種成本較低,操作更加便捷且能大范圍普及的智能跟隨機器人,讓智能跟隨機器人走進人們的生活,讓其小到日常生活,大到工廠結(jié)構(gòu)化的環(huán)境,都可以自主地完成指定的工作任務來更好的為人類服務。

        就目前的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)其主要的實現(xiàn)原理有兩種。一種是靠“看”,另一種靠“聽”?!翱础钡难芯糠较蚣赐ㄟ^圖像識別、特征識別等辨別跟隨目標,并通過成像大小或者激光,紅外線等手段判斷與目標的距離和方向然后做到智能跟隨;“聽”的研究方向則是通過接受藍牙、無線電,紅外線,超聲波等信號并通過各種定位算法來確定目標的方位和距離。之前所提到的兩款跟隨機器人Gita和ibotn便是使用的“看”的方法。

        為實現(xiàn)成本低、普及規(guī)模大的要求,該跟隨機器人的控制采用“聽”的辦法。利用手機自帶的傳感器來采集數(shù)據(jù)并利用手機CPU進行數(shù)據(jù)處理,小車只需接受手機傳遞的命令并執(zhí)行,無需進行其他的運算。這樣不但大大降低了小車的制作成本,而且避免了采用紅外線等方法造成定位不精確的弊端。它的最終目標是成為一款智能陪伴機器人,擁有視頻對講、視頻抓拍、危險預警等功能,作為小孩子最好的玩伴和安全的保護者。

        2 系統(tǒng)構(gòu)架

        該跟隨機器人采用手機作為控制設備,使用方向傳感器、加速度傳感器、電子羅盤等傳感器來采集數(shù)據(jù),并通過對應的算法處理數(shù)據(jù)后生產(chǎn)對應的指令通過藍牙發(fā)送給小車執(zhí)行。其采用價格相對較低、性比價更高的Arduino作為控制主板,主要的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理由智能手機端的APP完成。小車端只安裝了一些必備的模塊,例如HC06藍牙模塊、HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器。

        其中Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件(各種型號的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。HC06藍牙模塊用于和手機保持通信,即接收手機端的藍牙模塊傳遞的移動指令,而HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器則用于采集當前小車的方向、速度等數(shù)據(jù)用于校正小車的移動方向。

        3 實現(xiàn)方案

        作為智能跟隨小車的主控APP,其主要負責利用藍牙與小車建立通信,并采集手機傳感器的數(shù)據(jù),交由對應的算法處理,最后再將對應的指令發(fā)送給小車。由于目前智能手機品牌、機型眾多,所以必須考慮到各種情況,例如用戶手機沒有藍牙、沒有所需的傳感器等。所以在程序運行之前必須檢驗用戶手機是否具備能夠正常運行此款APP的條件,若不能則應及時給用戶提示信息。若用戶手機能夠正常運行APP,便可以直接激活藍牙連接小車,獲取傳感器數(shù)據(jù),計算移動方向等。其主要作用是用于與小車建立藍牙通信、獲取傳感器數(shù)據(jù)、計算移動方向,所以該軟件主要需要解決藍牙連接和傳輸數(shù)據(jù),傳感器數(shù)據(jù)獲取,算法設計等問題,并通過實踐不斷的優(yōu)化計算移動的算法。

        小車端的主要任務是對Arduino主板進行編程,并使用對應的ArduinoIDE來驅(qū)動電機帶動小車完成接收到的各種指令。其中,因為Arduino主板并不具備多線程處理能力,所以為了能夠在以后添加更多的功能,已通過軟件給Arduino添加一個名為wayTask的結(jié)構(gòu)體用于模擬多線程處理。盡管處理方案并不完善,但Arduino已擁有了進行多線程處理的能力。

        4 科學性和先進性

        和目前市面上多數(shù)跟隨機器人相比,該智能跟隨機器人有以下優(yōu)勢:

        (1)采用手機作為跟蹤設備。這樣既不用在小車上安裝多余的用于圖像識別的裝置,也無需用戶佩戴額外的追蹤設備,下載安裝一個APP即可將用戶的手機用于引導機器人跟隨用戶。

        (2)由APP處理數(shù)據(jù)。小車不再決定如何跟隨被跟隨者,而交由手機APP去處理并發(fā)送指令給小車,小車只需執(zhí)行APP傳遞的指令即可,大幅度降低了小車的設計難度和制造成本。

        其技術(shù)關鍵在于Arduino主板驅(qū)動小車編程、Arduino多線程處理方案設計、傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理和移動方向算法設計。主要技術(shù)指標包括同步跟隨延遲時間、傳感器數(shù)據(jù)采集頻率和信息同步出錯率。

        可作為一種新型玩具,主要適用于擁有兒童的家庭、兒童樂園等使用,若對其進行一定的改造也可用于跟隨錄像等。

        5 總結(jié)與展望

        由于時間和能力有限,本課題設計的跟隨機器人功能暫不完善,還無法達到作為陪伴機器人的目標。而由于新的引導方法的改進,其制作成本很低,具有很高的性價比,適用于家庭、孩童樂園等。針對最終目標,在此提出今后的努力方向:

        (1)逐步擴展更多的功能,如視頻對話、視頻錄制、兒童監(jiān)護等,并對其外觀有更高的要求。

        (2)嘗試將其與人工智能聯(lián)系起來,讓其自主學習規(guī)避障礙、適應各種復雜路況等。

        (3)對跟隨響應速度以及運動精確度方面還需要進行改進。

        本課題完成了對智能跟隨機器人的設計,并驗證了系統(tǒng)的可行性?;緦崿F(xiàn)了降低其設計難度、制造成本和使用難度的目的,提高了在同類型產(chǎn)品中的競爭力,相信在不久的將來,隨著對其不斷地完善,該智能跟隨機器人會達到一個更高的水平。

        參考文獻

        [1]徐國華,譚明.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢[J].機器人技術(shù)與應用,2001(3):5-15

        [2]朱金成.自主跟隨機器人系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].杭州:杭州電子科技大學,2014:1-70

        [3]顧超.一種自主跟隨機器人的研究與設計[D].南京:東南大學,2016:1-45

        [4]陳璐寒,張鵬,宋成.一種智能跟隨機器人[J].通訊世界,2016(11)

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        [6]湯莉莉,黃偉.基于Android手機藍牙控制的智能小車設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2016(5):132-134

        [7]任博雅,趙白鴿.基于ZigBee網(wǎng)絡和超聲定位的智能跟隨小車[J].計算機測量與控制,2015(5):1789-1798endprint

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