基于智能手機(jī)的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)研究

郭劉飛　徐志業(yè)　王艷杰　周凱莉　孫碩碩

【摘 要】隨著智能機(jī)器的發(fā)展，人類的生活、生產(chǎn)水平都有了不同的提高。本設(shè)計(jì)是基于智能手機(jī)的智能視頻載物平衡小車，解決現(xiàn)有智能循跡避障機(jī)器人無(wú)線傳輸?shù)木窒扌詥?wèn)題，可以為地域探索和危險(xiǎn)地帶緊急搶險(xiǎn)提供很大的資源，在第一時(shí)間為消防人員進(jìn)一步做搶險(xiǎn)方案提供數(shù)據(jù)，也可用于高輻射車間的物品運(yùn)輸。

【關(guān)鍵詞】循跡;無(wú)線圖像傳輸;手機(jī)wifi遙控

中圖分類號(hào)： TP242.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）36-0114-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.36.052

【Abstract】With the development of intelligent machine，human life and production level have been improved differently.This design is based on smart phone smart video vehicle balance car，to solve the limitations of wireless transmission of the existing intelligent tracking obstacle avoidance robot，can provide great resources for regional exploration and emergency rescue in dangerous areas，provide data for firefighters to make further emergency plans in the first time，and can also be used for the transportation of goods in high radiation workshop.

【Key words】Tracking;Wireless image transmission;Mobile wifi remote control

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，人們希望研究出能代替人來(lái)從事一些危險(xiǎn)行業(yè)和工作的機(jī)器人[1]，或要求精度極高能夠代替人來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。機(jī)器人已歷經(jīng)三代技術(shù)創(chuàng)新變革：第一代智能循跡避障機(jī)器人不裝載任何傳感器，只是采用簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制;第二代智能循跡避障機(jī)器人裝有簡(jiǎn)單的傳感器，能適應(yīng)一定的外部環(huán)境變化;第三代智能循跡避障機(jī)器人是智能的，以多種外部傳感器構(gòu)成感官系統(tǒng)。智能循跡避障機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人的一種，有較好的應(yīng)用前景。本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)智能車可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、WIFI智能視頻[2]、載物臺(tái)水平等功能，可應(yīng)用于科學(xué)勘探、物品運(yùn)輸?shù)取?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

機(jī)器人尋跡系統(tǒng)采用紅外反射式光電管識(shí)別路徑上的黑線，并以最短的時(shí)間完成尋跡。通過(guò)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)臂的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向，使用符合pid算法的控制器[3]來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。利用機(jī)器視覺(jué)[4]采集圖像，通過(guò)智能手機(jī)WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高清傳圖來(lái)控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、高清攝像頭實(shí)時(shí)拍攝;按照規(guī)定路線行進(jìn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控路況;平衡載物臺(tái)能在坡度30°的情況下依然保持水平。根據(jù)研究目的，智能循跡避障機(jī)器人大體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 智能循跡避障機(jī)器人大體構(gòu)架

圖2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用集成芯片L298和由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)，控制端連接單片機(jī)，由單片機(jī)控制輸出PWM脈沖控制L298和分立元件驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸出和PWM脈沖輸出的方向，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和正反轉(zhuǎn)。如圖2。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定，此模塊是用來(lái)作為小車平衡載物臺(tái)水平調(diào)節(jié)。如圖3。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

2.3 紅外循跡模塊

循跡傳感器工作原理：TC端為高電平時(shí)，傳感器休眠，為低電平時(shí)，傳感器啟動(dòng)。Signal端遇到黑線時(shí)，輸出高電平;當(dāng)遇到白線，Signal輸出低電平。利用紅外線在不同顏色的表面特征，具有不同的反射性能。

2.4 超聲波避障模塊

超聲波避障，就是利用超聲波來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的前方是否有障礙物，機(jī)器人的前方放一個(gè)超聲波發(fā)射器、一個(gè)超聲波接收器，利用單片機(jī)輸出一個(gè)40kHz的觸發(fā)信號(hào)，把觸發(fā)信號(hào)通過(guò)TRIG管腳輸入到超聲波測(cè)距模塊，再由超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)通過(guò)軟件開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物返回，超聲波測(cè)距模塊的接收器收到反射波后通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)回應(yīng)信號(hào)并通過(guò) ECHO 腳反饋給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就立即停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，即：S=VT/2，通過(guò)單片機(jī)來(lái)算出距離。當(dāng)距離障礙物達(dá)到一定距離時(shí)候，機(jī)器人自動(dòng)停止前進(jìn)并避開(kāi)障礙物。

2.5 wifi無(wú)線收發(fā)模塊

由手機(jī)終端，通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，再通過(guò)手機(jī)應(yīng)用軟件，向路由器發(fā)送控制命令及數(shù)據(jù)。路由器接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)內(nèi)部的串口發(fā)送軟件，將接收到的命令和數(shù)據(jù)，通過(guò)路由器串口發(fā)送到單片機(jī)的串口端，單片機(jī)接收到這些命令后執(zhí)行相應(yīng)的指令，視頻信號(hào)，通過(guò)攝像頭采集之后通過(guò)路由器發(fā)至終端，并在其應(yīng)用軟件中顯示攝像頭采集到的視頻信號(hào)。

2.6 圖像采集處理模塊

采用了普通高清30W像素的攝像頭拍攝視頻，攝像頭自帶有圖像處理壓縮的驅(qū)動(dòng)程序，使圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信息，無(wú)線局域網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)54Mbp/s的數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)有明顯的滯后感。

2.7 電腦終端控制并顯示視頻模塊

Mini無(wú)線路由器經(jīng)過(guò)OPENWRT開(kāi)源系統(tǒng)建立的wifi熱點(diǎn)，電腦終端利用VB窗口設(shè)計(jì)程序，繪制出電腦上位機(jī)軟件wifirobot.exe。利用網(wǎng)絡(luò)工程知識(shí)，將電腦與小車單片機(jī)系統(tǒng)連接在同一個(gè)局域網(wǎng)環(huán)境下，通過(guò)發(fā)送脈沖數(shù)字信號(hào)，控制小車的行駛。

2.8 Andriod智能手機(jī)便捷控制模塊

利用Andriod開(kāi)發(fā)平臺(tái)SDK，根據(jù)JAVA語(yǔ)言，創(chuàng)建了手機(jī)控制軟件apk.文件，通過(guò)Andriod智能手機(jī)控制端，不僅可以運(yùn)用觸控按鍵來(lái)控制小車的行駛轉(zhuǎn)向問(wèn)題，而且可以利用現(xiàn)代最新重力感應(yīng)技術(shù)來(lái)控制小車：當(dāng)手機(jī)向前傾斜，小車前進(jìn)，向后傾斜，后退，向側(cè)傾斜，小車向?qū)?yīng)的方向轉(zhuǎn)向。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于智能手機(jī)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，搭建硬件平臺(tái)是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，好的控制系統(tǒng)能夠保證小車準(zhǔn)確地執(zhí)行避障指令。對(duì)智能手機(jī)進(jìn)行編程，使得智能手機(jī)能夠與小車控制系統(tǒng)協(xié)助，精確實(shí)現(xiàn)小車的行進(jìn)、轉(zhuǎn)向和自動(dòng)避障等功能，使其在無(wú)人控制情況下安全自動(dòng)化行駛，在復(fù)雜地形內(nèi)準(zhǔn)確定位危險(xiǎn)源。

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