程麗霞

(太原工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

第一代機(jī)器人出現(xiàn)在20世紀(jì)60～70年代，以示教再現(xiàn)型為主；20世紀(jì)80年代，機(jī)器人在發(fā)達(dá)國家的工業(yè)中得到大量應(yīng)用，如搬運(yùn)、裝配、焊接機(jī)器人等；20世紀(jì)90年代，機(jī)器人開始在軍用、醫(yī)療、娛樂等多種領(lǐng)域中得到應(yīng)用；進(jìn)入21世紀(jì)后，智能型機(jī)器人成為了重點(diǎn)的研究方向，我國的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用市場也在逐步形成。本文設(shè)計了一款可以對手機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行接收并執(zhí)行的六輪藍(lán)牙移動機(jī)器人，該移動機(jī)器人同時具有紅外避障的功能，增加了小車的行車安全性。

1 移動機(jī)器人總體方案

目前已有的移動機(jī)器人分為輪式機(jī)器人、腿式機(jī)器人和輪腿式機(jī)器人。輪式機(jī)器人可以對簡單地形進(jìn)行探索或者對地面移動速度較高的目標(biāo)進(jìn)行觀察分析，但是對于爬坡等復(fù)雜地形探測卻無能為力。腿式機(jī)器人適用于對復(fù)雜地形的探索，具有較好的爬坡性能，缺點(diǎn)在于機(jī)動速度極低。輪腿式機(jī)器人是輪式和腿式機(jī)器人的結(jié)合體，擁有了這兩種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，主要在火星車、月球車等航天探測工具上應(yīng)用。本文設(shè)計了一種具有藍(lán)牙模塊、紅外避障功能的四輪移動機(jī)器人，采用STC89C52系列單片機(jī)作為小車的控制芯片，采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動模塊，以紅外避障傳感器作為感知模塊；在軟件方面，采用keil U4軟件進(jìn)行編程和編譯，調(diào)試時采用stp-isp燒錄軟件。在小車啟動時，通過手機(jī)的藍(lán)牙功能與小車的藍(lán)牙模塊對接，觀察到藍(lán)牙指示燈亮以后，開始發(fā)送移動指令；在小車行駛時，通過紅外傳感模塊對前方障礙進(jìn)行探測，并用手機(jī)軟件控制小車的前進(jìn)方向，從而實現(xiàn)主動避障的功能；在驅(qū)動方面，選擇了直流電機(jī)，在保證小車動力的前提下提高了小車運(yùn)動的平穩(wěn)性。

2 硬件部分設(shè)計

采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以增大小車的橫向阻力，由于采用了更多的電機(jī)，爬坡能力較兩輪驅(qū)動有所提高。藍(lán)牙模塊的設(shè)計是為了實現(xiàn)手機(jī)和小車之間的信號連接以及傳輸，從而實現(xiàn)控制端和接收端的無線通訊功能，實質(zhì)就是利用單片機(jī)串口進(jìn)行通訊。HC-06藍(lán)牙模塊是一種性能很好的藍(lán)牙串口模塊，可以同手機(jī)、筆記本電腦等各種智能終端進(jìn)行配對，它能支持的波特率范圍可以達(dá)到4 800 Bd～1 382 400 Bd，同時可以承載3.3 V～6 V電壓的單片機(jī)系統(tǒng)。圖1為HC-06模塊與單片機(jī)的連接示意圖。

圖1 HC-06模塊與單片機(jī)的連接示意圖

在紅外避障模塊中采用了紅外光電傳感器，其原理是：紅外線處于一直發(fā)射的狀態(tài)，當(dāng)接收器沒有收到前方反射回來的紅外信號時，紅外光電傳感器判斷前方?jīng)]有阻礙物，此時單片機(jī)調(diào)用小車前進(jìn)程序，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果小車前方的傳感器接收到反射回來的紅外信號，此時紅外傳感模塊會給單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)接到信號后，則調(diào)動小車的轉(zhuǎn)向程序運(yùn)行，直到紅外模塊不能接收或者接收不到反射回來的紅外信號，單片機(jī)停止調(diào)用小車的轉(zhuǎn)向程序，轉(zhuǎn)而調(diào)用小車的前進(jìn)程序，如此完成一系列的直行和避障轉(zhuǎn)彎等功能。

電機(jī)驅(qū)動模塊選取了L298N，它自帶穩(wěn)壓模塊，是一種可以通過大電流并可以承受高電壓的驅(qū)動電機(jī)模塊，通過該模塊可以直接驅(qū)動藍(lán)牙小車的電機(jī)，其輸入輸出都在3.6 V～6 V的范圍內(nèi)，采用6 V電源輸入剛好符合電路總電壓的最低要求，可直接供電，同時驅(qū)動模塊配有散熱片，有效地保證了用電安全以及續(xù)航能力，從而維持小車的平穩(wěn)運(yùn)行。本設(shè)計采用了工作電壓為3.6 V～6 V的直流步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊接收到一次脈沖信號后，電機(jī)按照設(shè)定的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)額定的角度即步距角，通過發(fā)射脈沖信號的數(shù)量達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的，同時可以通過控制發(fā)射脈沖信號的間隔即頻率來控制轉(zhuǎn)速。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)移動機(jī)器人的各項功能，控制芯片采用了STC89C52單片機(jī)，它是一種高性能低消耗的控制設(shè)備，工作頻率在0 Hz～40 MHz之間，具有32個通用I/O口，適合多數(shù)設(shè)備工作?？刂葡到y(tǒng)由藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模塊協(xié)同完成相應(yīng)的功能，其功能流程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)功能流程

藍(lán)牙遙控紅外避障主要程序如下：

TMOD=0x20;

TH1=0xFd;//11.0592MHz晶振，9600波特率

if(flag_bz==1)//切換到避障模式

if(Left_1_led==1&&Right_1_led==1)//兩邊傳感器均未檢測到信號

run();//調(diào)用前進(jìn)函數(shù)

if(Left_1_led==1&&Right_1_led==0)//右邊檢測到紅外信號

leftrun();//調(diào)用小車左轉(zhuǎn)函數(shù)

delay(40);

if(Right_1_led==0&&Left_1_led==0)//兩邊傳感器同時檢測到信號

backrun();//調(diào)用電機(jī)后退函數(shù)

delay(40);

rightrun();//調(diào)用電機(jī)右轉(zhuǎn)函數(shù)

4 調(diào)試

我們選用了stc-isp軟件作為程序燒錄軟件，選擇對應(yīng)的單片機(jī)型號，打開已編譯好的程序，連接好端口后，選擇合適的通訊波特率，點(diǎn)擊燒錄。在工作前，分別對藍(lán)牙傳輸部分、避障部分、電機(jī)驅(qū)動部分以及單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在藍(lán)牙模塊中，對模塊的正常功能進(jìn)行測試，每隔一秒發(fā)送一次AT命令，直到電腦顯示藍(lán)牙連接成功。在修改藍(lán)牙串口通訊的波特率時，發(fā)送：AT+BAUD1命令，之后發(fā)送返回：OK1200命令。這是我們對波特率的第一次修改，之后檢測觀察藍(lán)牙是否配對成功，如果不可以，則繼續(xù)修改波特率。以此類推發(fā)送：AT+BAUD2；返回：OK2400。一般波特率不超過115 200 Bd，以9 000 Bd為最佳。因為過高的波特率會干擾電腦信號，還會造成單片機(jī)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。采用115 200 Bd波特率的單片機(jī)來編程，滿足藍(lán)牙和單片機(jī)的使用要求，即使突然掉電，已經(jīng)設(shè)好的波特率仍然可以被保存下來，下次通電不用重設(shè)。通過串口助手發(fā)送：AT+NAMEbolutek，可以修改藍(lán)牙的名稱，參數(shù)名即為手機(jī)上顯示的藍(lán)牙名稱，返回OKbolutek，掉電可以保存。在修改藍(lán)牙配對密碼時，發(fā)送：AT+PINXXXX，XXXX為設(shè)置的密碼，返回OKsetpin，首次連接密碼為1234。在使用藍(lán)牙模塊時，對應(yīng)安卓手機(jī)系統(tǒng)需大于2.0，之后要確定藍(lán)牙模塊與手機(jī)的波特率是否契合。調(diào)試L298N電機(jī)模塊時外接5 V電壓，觀察四個輸入口的電平是否正常，正常則有紅燈亮起，如不正常，可以重新對接口處的杜邦線進(jìn)行焊接。之后對單片機(jī)最小系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后觀察藍(lán)牙模塊和單片機(jī)是否能進(jìn)行正常的收發(fā)信號互動，若不能接收，可能單片機(jī)燒損或連線虛。在調(diào)試避障模塊時，用電位器對避障范圍(信號強(qiáng)度)進(jìn)行調(diào)試，避障模塊上安有指示燈，逆時針調(diào)節(jié)電位器，增加信號強(qiáng)度(檢測距離增加)，反之減少。在對小車進(jìn)行整體調(diào)試時，單片機(jī)與繼電器的指示燈常亮，藍(lán)牙模塊指示燈常亮。當(dāng)小車前進(jìn)時，在左前方有障礙物時，左側(cè)紅外傳感器燈亮，小車向右轉(zhuǎn)彎，反之向左。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于單片機(jī)的藍(lán)牙移動機(jī)器人，可通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)終端進(jìn)行信號傳輸，同時可以在手機(jī)上遙控小車的前進(jìn)方向，并實現(xiàn)自動避障的功能，為以后遠(yuǎn)程控制智能車提供了研究基礎(chǔ)。