支持藍(lán)牙通信的智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

姚金 馮靜 孫家興 張曉斐 尤忍堂

摘要：為了提高機(jī)器人在復(fù)雜多變環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的能力，設(shè)計(jì)了一個(gè)支持藍(lán)牙通信的智能昆蟲(chóng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了基于GP2YOA21距離傳感器的自動(dòng)避障，Android移動(dòng)控制系統(tǒng)與Risym HC-05藍(lán)牙模塊的無(wú)線通信與遠(yuǎn)程控制，并通過(guò)紅外通信、TTL串口語(yǔ)音與蜂鳴器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人之間的協(xié)作通信、交互、警示等功能。解決了機(jī)器人在實(shí)際作業(yè)中所遇到的避障、集群交互通信、智能提示等問(wèn)題，有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)昆蟲(chóng)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)線遠(yuǎn)程控制。因此，本文針對(duì)支持藍(lán)牙通信的智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)給出了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙通信;智能昆蟲(chóng)機(jī)器人;設(shè)計(jì)

由于地球上環(huán)境的惡化，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，因此需要能夠適應(yīng)復(fù)雜、惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境的高度自動(dòng)化裝備來(lái)進(jìn)行作業(yè)，保障相關(guān)人員的生命安全，提高救援效率與作業(yè)能力。而仿生學(xué)正是通過(guò)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從自然界來(lái)獲取設(shè)計(jì)研究的靈感，設(shè)計(jì)出同時(shí)兼具機(jī)器與生物共同優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器設(shè)備。這些機(jī)器設(shè)備在軍事、救災(zāi)等方面有著諸多用途;譬如在軍事行動(dòng)中進(jìn)行攻擊、排雷等危險(xiǎn)作業(yè)，在救災(zāi)時(shí)進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)人員進(jìn)行搜救以及物資的運(yùn)輸?shù)?另外，在人類進(jìn)行太空探索、星球探測(cè)和深海探測(cè)等未知環(huán)境的探索時(shí)也發(fā)揮著不可替代的作用。其中，智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究主要涉及到嵌入式、藍(lán)牙通信、傳感器、數(shù)字電子與模擬電子等技術(shù)。

1.總體架構(gòu)

隨著近年來(lái)電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的飛速發(fā)展，嵌入式技術(shù)作為一門綜合交叉性技術(shù)，也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。嵌入式系統(tǒng)作為一種能夠執(zhí)行特定功能、軟硬件可裁剪的應(yīng)用型系統(tǒng)，能夠適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)于功耗、成本、可靠性等方面的嚴(yán)格要求，所以在近年來(lái)取得了極大的發(fā)展。作為嵌入式系統(tǒng)的一種典型應(yīng)用，目前普遍使用的移動(dòng)端設(shè)備—智能手機(jī)也屬于嵌入式設(shè)備的范疇。通過(guò)移動(dòng)端嵌入式設(shè)備作為控制終端，對(duì)具有專用功能的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)程便捷控制，誕生了許多現(xiàn)代化產(chǎn)品，大大地方便了人們的生活與工作。

根據(jù)智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的主要功能需求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的硬件總體架構(gòu)。

其中，通過(guò)Risym HC-05無(wú)線藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信，該模塊負(fù)責(zé)與手機(jī)控制端APP進(jìn)行通信，接收APP發(fā)來(lái)的指令請(qǐng)求，轉(zhuǎn)交給ATmega328微處理器執(zhí)行。GP2YOA21距離傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人周邊環(huán)境中障礙物信息，并將所獲取的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給ATmega328微處理器進(jìn)行處理。電源模塊負(fù)責(zé)為機(jī)器人整體供電[1]。串口調(diào)試模塊負(fù)責(zé)與PC機(jī)連接進(jìn)行固件的燒寫以及相關(guān)調(diào)試工作。系統(tǒng)中共集成了3個(gè)微型伺服電機(jī)，為機(jī)器人行走提供動(dòng)力。紅外通信模塊實(shí)現(xiàn)了收、發(fā)兩部分功能，為機(jī)器人之間的協(xié)作通信提供支持。蜂鳴器模塊用于機(jī)器人遇到障礙或者緊急狀況時(shí)的警報(bào)提示。TTL串口語(yǔ)音模塊用于向用戶進(jìn)行語(yǔ)音提示以及語(yǔ)音交互。信號(hào)燈模塊對(duì)電源狀態(tài)、藍(lán)牙連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)進(jìn)行提示。

2.核心模塊設(shè)計(jì)

2.1主控模塊

主控模塊的核心即ATmega328微控制器，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為16 MHz，正常工作電壓為直流5V，主控模塊包含有4個(gè)數(shù)字輸入口，4個(gè)模擬輸入口，兩個(gè)PWM口，1組UART端口，1組I2C端口，1個(gè)Micro USB接口，2組電源端口。

2.2硬件接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所需功能，基于結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計(jì)，需要對(duì)硬件主控板接口進(jìn)行具體定義。ICSP接口（ICSP-in circuit serial programmable），又叫在線串口編程，其本質(zhì)是一種在線燒寫程序的方式，主要功能是將用戶代碼編譯并燒寫到微處理器ROM中[2]。

2.3通信協(xié)議

機(jī)器人與移動(dòng)端之間的通信采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)自下而上可分為3個(gè)部分：硬件層、協(xié)議層、應(yīng)用層。其中，硬件層主要包括鏈路管理層（LM）、基帶層（BB）和射頻層（RF）。協(xié)議層包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議（L2CAP）和電話通信協(xié)議（TCS）。

移動(dòng)端與機(jī)器人之間的藍(lán)牙Socket通信流程如圖2所示。

與常用的Socket套接字通信模式類似，Bluetooth Socket通信中由Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket分別充當(dāng)客戶端和服務(wù)器。首先由服務(wù)器端Bluetooth Server Socket對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)Bluetooth Socket對(duì)象，調(diào)用Bluetooth Server Socket的Accept（）來(lái)獲取，而客戶端則通過(guò)調(diào)用Bluetooth Device的create Rf comm Socket To Service Record（）來(lái)獲取;在服務(wù)器啟動(dòng)服務(wù)之后，accept（）進(jìn)行阻塞，直到客戶端Connect（）成功連接服務(wù)器，服務(wù)器將Bluetooth Socket對(duì)象返回給客戶端，建立連接后，服務(wù)器和客戶端的Bluetooth Socket對(duì)象能夠獲取到輸入輸出流，從而進(jìn)行下一步的通信。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中移動(dòng)端APP界面，根據(jù)藍(lán)牙連接流程依次進(jìn)行藍(lán)牙的連接與通信測(cè)試。首先打開(kāi)藍(lán)牙，通過(guò)搜索設(shè)備搜索機(jī)器人中集成的藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功之后通過(guò)CONNECT建立連接，連接建立之后即可通過(guò)控制按鈕控制機(jī)器人行動(dòng)。

昆蟲(chóng)機(jī)器人移動(dòng)端控制測(cè)試結(jié)束后，對(duì)昆蟲(chóng)機(jī)器人進(jìn)行了自動(dòng)避障測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明機(jī)器人能夠在多種不規(guī)則地形中行動(dòng)，并在合理范圍內(nèi)對(duì)所遇障礙進(jìn)行自動(dòng)規(guī)避。另外，通過(guò)多個(gè)機(jī)器人之間的聯(lián)合測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)器人之間進(jìn)行紅外集群通信的有效性，并利用特定機(jī)器人對(duì)智能語(yǔ)音提示與蜂鳴器警告功能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果證明了TTL串口語(yǔ)音模塊的有效性。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文就智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的工作原理與相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究分析，并深入探究了該類型機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中所具有的優(yōu)勢(shì)與具體適用場(chǎng)景。基于以上研究分析，對(duì)昆蟲(chóng)機(jī)器人的總體架構(gòu)、核心模塊、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提出了具體的解決方案，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、遠(yuǎn)程控制、集群通信交互、智能提示等功能，并通過(guò)在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1]楊澤平，文賡，蔡妤婕，馬佳敏，饒婷霜，郭夢(mèng)潔.支持藍(lán)牙通信的智能昆蟲(chóng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018，37（02）：93-97.

[2]楊澤平，文賡，馬佳敏，蔡妤婕，饒婷霜，郭夢(mèng)潔.智能昆蟲(chóng)機(jī)器人與移動(dòng)設(shè)備交互通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（08）：41-43.