列浩楊 陳銀燕 洪曉蘭 黃一雄 鄭燦周 鄭譽(yù)煌

摘 要：設(shè)計(jì)了一款藍(lán)牙控制的可以在復(fù)雜環(huán)境中行進(jìn)的雙運(yùn)動(dòng)模式的機(jī)器人。該機(jī)器人基于Arduino平臺(tái)，采用超聲波避障，有足式和輪式兩種運(yùn)動(dòng)模式，分別由四組舵機(jī)控制的機(jī)械腿和兩個(gè)直流電機(jī)控制的小輪及萬(wàn)向輪組成。根據(jù)地形和實(shí)際需要使用藍(lán)牙切換運(yùn)動(dòng)模式和選擇自動(dòng)運(yùn)行還是手動(dòng)操作，提高了機(jī)器人的靈活性。

關(guān)鍵詞：Arduino；移動(dòng)機(jī)器人；雙運(yùn)動(dòng)模式；超聲波避障；雙操作模式；藍(lán)牙控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.139

1 引言

現(xiàn)有的地面移動(dòng)機(jī)器人較多采用三輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不能很好地適應(yīng)運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)和危險(xiǎn)行動(dòng)等復(fù)雜的非平面環(huán)境。同樣，采用四足行走的移動(dòng)機(jī)器人也有運(yùn)動(dòng)速度低的劣勢(shì)。為滿足市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人靈活性的更高要求，多運(yùn)動(dòng)方式的機(jī)器人研究也就更有必要，使其能在不同的場(chǎng)景中應(yīng)用合適的運(yùn)動(dòng)方式。本文結(jié)合輪式的快速運(yùn)動(dòng)和足式的靈活運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款雙運(yùn)動(dòng)模式的智能機(jī)器人。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制中心由Arduino Mega2560及Mega2560 R3擴(kuò)展板組成。Arduino具有價(jià)格便宜，庫(kù)函數(shù)豐富等特點(diǎn)，它的電子電路和底層驅(qū)動(dòng)庫(kù)都被打包集成，進(jìn)而省略掉了大部分與電路和硬件驅(qū)動(dòng)相關(guān)的操作，最終只剩下簡(jiǎn)單的控制邏輯，因此人們只要懂得一些簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系便可以將它很好地應(yīng)用。

Mega2560同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，可以對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行采集分析并做出反應(yīng)，同時(shí)可接入各種外設(shè)完成一系列復(fù)雜的功能。特別適合本文機(jī)器人所需要的對(duì)電機(jī)、舵機(jī)、藍(lán)牙模塊、超聲波傳感器的工作運(yùn)行的負(fù)責(zé)控制。

2.2 傳感器模塊

US-100超聲波測(cè)距模塊相比紅外傳感器，其測(cè)距原理相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)測(cè)算發(fā)出超聲波到接收回波的時(shí)間以及接收超聲波的強(qiáng)弱，可以對(duì)障礙物距離及其表面物理形態(tài)進(jìn)行判斷。US-100超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm-4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4-5.5V寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)的功能，此模塊受環(huán)境影響相對(duì)較小，同時(shí)具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠。因此在本設(shè)計(jì)中采用此模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距避障的功能。

2.3 動(dòng)力模塊

本文機(jī)器人分兩種動(dòng)力體系。

當(dāng)采用輪式運(yùn)動(dòng)模式的時(shí)候，足部的舵機(jī)將抬起到設(shè)定位置，三個(gè)輪子著地，保證機(jī)器人穩(wěn)定不倒。其中后面兩個(gè)輪子為動(dòng)力輪，前面輪子為輔助支撐的萬(wàn)向輪。為了使整機(jī)重量輕便以及低功耗，兩個(gè)后輪均采用了33直流減速電機(jī)，單個(gè)電機(jī)重量為100g，空載速度達(dá)到200RPM，產(chǎn)生的力矩足以帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人，通過(guò)差速控制程序使兩個(gè)動(dòng)力輪獨(dú)立受控產(chǎn)生一定的速度差，便能達(dá)到轉(zhuǎn)向避障的效果，如圖2所示。同時(shí)輪式運(yùn)動(dòng)模式以總?cè)萘繛?000mAh的2節(jié)18650電池為動(dòng)力來(lái)源，保證機(jī)器人輪式行進(jìn)的續(xù)航時(shí)間。

當(dāng)采用足式運(yùn)動(dòng)模式的時(shí)候，足部舵機(jī)將全部豎直到設(shè)定位置，這時(shí)三個(gè)輪子將被架起，四足著地。通過(guò)執(zhí)行設(shè)計(jì)好的步態(tài)順序所對(duì)應(yīng)的程序來(lái)進(jìn)行足式運(yùn)動(dòng)。效果如圖3所示。此動(dòng)力體系同樣以總?cè)萘繛?000mAh的2節(jié)18650電池為動(dòng)力來(lái)源，經(jīng)過(guò)Mega2560擴(kuò)展板的降壓模塊得到合適的電壓來(lái)給多組舵機(jī)提供動(dòng)力。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊（電機(jī)、舵機(jī)）

驅(qū)動(dòng)模塊是機(jī)器人正常工作所不可或缺的一部分。

本文機(jī)器人在電機(jī)驅(qū)動(dòng)這部分所使用的是雙L9110S芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，芯片占用體積小，適合用作組裝機(jī)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，既節(jié)省空間也減輕機(jī)器人的重量。L9110S芯片具有良好的抗干擾性、較大的電流驅(qū)動(dòng)能力、較低的輸出飽和壓降，從而使其在直流電機(jī)的使用上安全可靠。

舵機(jī)直接通過(guò)Mega2560開(kāi)發(fā)板上的PWM輸出受控，結(jié)合Mega2560 R3擴(kuò)展板上的擴(kuò)展插口，能很好地整理雜亂的舵機(jī)電源線與信號(hào)線。

2.5 無(wú)線控制模塊

無(wú)線控制主要有Wifi控制、藍(lán)牙控制和紅外控制，Wifi成本高、帶寬大、待機(jī)功耗大、需單獨(dú)網(wǎng)卡；藍(lán)牙低延時(shí)、低功率、傳輸距離短、可用電池供電、抗干擾能力強(qiáng)、可繞行遙控；紅外遙控期間不能有物品阻隔、抗干擾能力差、只能用于兩臺(tái)設(shè)備之間的連接。三者相比較而言，藍(lán)牙更適合小機(jī)器人的遙控，而且可以用手機(jī)下載相應(yīng)的藍(lán)牙串口助手APP與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接通訊。在網(wǎng)絡(luò)不好時(shí)，方便眾多產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)線遙控，無(wú)需擔(dān)憂是否有公用網(wǎng)絡(luò)或物體阻隔，極大程度地方便了機(jī)器人操作者。

當(dāng)模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸，可以更好地控制機(jī)器人切換合適的運(yùn)動(dòng)模式（輪式或足式）以及操作模式（自動(dòng)或手動(dòng)），讓機(jī)器人能夠以較高效率到達(dá)目的地。作為一款高性能主從一體的HC-05藍(lán)牙模塊，具有低耗、適用于多種系統(tǒng)、可以與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接、工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，滿足本機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人上電后，各舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到初始設(shè)定位置，機(jī)器人呈蜷縮狀，只留下三個(gè)輪子著地，等待手機(jī)端傳來(lái)藍(lán)牙選擇控制信號(hào)。機(jī)器人的運(yùn)行程序框圖設(shè)計(jì)如下圖所示：

3.1 操作模式

操作模式分自動(dòng)和手動(dòng)。當(dāng)選定任意一種運(yùn)動(dòng)模式后，將進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)操作模式的選擇。若選擇自動(dòng)，則機(jī)器人將啟動(dòng)超聲波模塊，按照?qǐng)D4所示的流程圖來(lái)運(yùn)作。若選擇手動(dòng)，則機(jī)器人不啟動(dòng)超聲波模塊，由手機(jī)端發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

3.2 障礙物檢測(cè)方式

本文機(jī)器人通過(guò)US-100 超聲波模塊來(lái)檢測(cè)障礙物距離，從而進(jìn)行障礙物檢測(cè)避障（注意：此超聲波模塊僅在自動(dòng)操作模式下才會(huì)開(kāi)啟）。US-100 超聲波模塊具有兩種觸發(fā)模式，在本文機(jī)器人設(shè)計(jì)中選擇了更為合適的電平觸發(fā)模式。在一段大于 10us 的高電平輸入后，超聲波模塊的發(fā)射探頭循環(huán)發(fā)出 8 個(gè) 40KHZ 的超聲波脈沖，傳感器發(fā)射探頭啟動(dòng)并發(fā)送超聲波脈沖，然后接收探頭進(jìn)入回波檢測(cè)狀態(tài)，在接收探頭檢測(cè)到回波信號(hào)后，結(jié)合溫度補(bǔ)償計(jì)算測(cè)距結(jié)果。最后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)程序分析檢測(cè)到的多個(gè)距離信息，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的避障操作。

3.3 避障方式

本文機(jī)器人的避障方式與超聲波在一定距離探測(cè)到的障礙物位置和距離有關(guān)系，也與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式有關(guān)系。

結(jié)合本文機(jī)器人分兩種情況：

（1）當(dāng)機(jī)器人選擇足式運(yùn)動(dòng)模式，并且選擇自動(dòng)操作模式的時(shí)候，機(jī)器人以四足姿態(tài)前進(jìn)，同時(shí)位于頭部舵機(jī)位置的超聲波傳感器將一直讀取分析正前方的距離信息。當(dāng)正前方檢測(cè)到前方距離障礙物過(guò)近的時(shí)候，機(jī)器人立馬停止前進(jìn)，頭部舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)讀取左右45°方向的兩個(gè)距離，將讀取到距離信息進(jìn)行分析判斷，最終將會(huì)有如下的反應(yīng)動(dòng)作：

①在左邊障礙物距離比右邊遠(yuǎn)的時(shí)候，判斷到左邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足左轉(zhuǎn)直行程序。若判斷到左邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；

②當(dāng)左右兩邊障礙物距離相等的時(shí)候，則后退20cm再次讀取左右兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；

③在右邊障礙物距離比左邊遠(yuǎn)的時(shí)候，判斷到右邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足右轉(zhuǎn)直行程序。若判斷到右邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

（2）同樣地，當(dāng)機(jī)器人選擇輪式運(yùn)動(dòng)模式，并且選擇自動(dòng)操作模式的時(shí)候，機(jī)器人以輪式姿態(tài)前進(jìn)，與足式不一樣的是輪式的行進(jìn)方式與轉(zhuǎn)彎方式，其他部分與足式的避障方式一樣。

4 結(jié)束語(yǔ)

多運(yùn)動(dòng)模式機(jī)器人集合機(jī)械制造、電機(jī)控制、傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制等多種先進(jìn)技術(shù)，其制作目的終歸是方便人類的勞動(dòng)生產(chǎn)和進(jìn)行未知探索，隨著各種高精尖技術(shù)的發(fā)展（如人工智能，機(jī)器視覺(jué)，深度學(xué)習(xí)等），使得搭載上這些技術(shù)的機(jī)器人功能更加強(qiáng)大。本文提供一種藍(lán)牙控制的地形適應(yīng)能力強(qiáng)與整體運(yùn)動(dòng)性能佳的雙運(yùn)動(dòng)模式機(jī)器人設(shè)計(jì)，其使用范圍廣泛，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種功能打下基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目： 2018年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號(hào)：201814278004）；2017年廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項(xiàng)目（編號(hào)：2017192201）；2018年度電子信息工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范基地項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018sfjd02）

作者簡(jiǎn)介：列浩楊（1997-），男，廣東廣州人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。