平板遙控監(jiān)控拍照四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)

杜建誠，李茹蕓，張 韓，王 兆，黃恒一

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

仿真四足機(jī)器人同時(shí)結(jié)合了仿真機(jī)器人和四足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)單、肢體協(xié)調(diào)、穩(wěn)定性好，其仿生結(jié)構(gòu)有著天然的優(yōu)越性，可以模擬四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)形式來適應(yīng)不同的地形環(huán)境，同時(shí)又具有仿形化以假亂真的特點(diǎn)，相比人而言，仿真四足機(jī)器人能夠在較為復(fù)雜工作環(huán)境中較好地隱蔽自身，并且能夠較好適應(yīng)環(huán)境，順利完成特定任務(wù)。本文在此研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的通過平板遙控監(jiān)控拍照四足機(jī)器人[1]。

1 設(shè)計(jì)方框圖

本文設(shè)計(jì)的仿真四足機(jī)器貓以Arduino nano及配套擴(kuò)展板為基礎(chǔ)，包含藍(lán)牙模塊、監(jiān)控模塊、定位模塊、電源模塊、舵機(jī)模塊和傾斜傳感器模塊[2]。圖1為設(shè)備的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)上，該設(shè)計(jì)以貓為仿生對(duì)象，模擬貓的生物形態(tài)，搭載Arduino nano 及配套擴(kuò)展板，內(nèi)含藍(lán)牙模塊、定位模塊、電源模塊、舵機(jī)模塊、傾斜傳感器和監(jiān)控模塊。在進(jìn)行操作時(shí)候，用戶可以通過平板打開專用Android 應(yīng)用程序，并在APP 上開啟藍(lán)牙功能與四足仿真機(jī)器貓連接。在APP上就可以控制機(jī)器貓前后左右的移動(dòng)，開啟監(jiān)控模塊攝像頭時(shí)可以獲得實(shí)時(shí)傳輸畫面[3]。

2.1 主控芯片

該智能四足仿真機(jī)器貓使用了Arduino nano 系列芯片，具體型號(hào)為Arduino nano v3.2。Arduino nano為Arduino USB 接口的微型版本，其主控芯片采用的處理器核心為ATmega328（Nano3.0），該芯片具有輕量化、低功耗、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。圖2為Arduino nano 芯片實(shí)圖[4]。

圖2 Arduino nano 實(shí)圖

2.2 定位模塊

本文選用的定位模塊為一款微型嵌入式設(shè)備，其通過磁力固定在仿真四足機(jī)器貓電池盒下。該設(shè)備內(nèi)置定位芯片，可以接收GPS 信號(hào)。在手機(jī)、平板、計(jì)算機(jī)等平臺(tái)上可以查看機(jī)器貓的運(yùn)動(dòng)軌跡，并獲取機(jī)器貓的實(shí)時(shí)位置，能夠獲取到較為精確的定位，在后面調(diào)試過程中起到不少幫助。圖3是該微型嵌入式設(shè)備實(shí)物圖[5]。

圖3 定位模塊實(shí)物圖

2.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊由WiFi 數(shù)傳模塊和高清攝像頭組成。具體工作過程如下，高清攝像頭拍攝實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面?zhèn)鹘o數(shù)傳模塊，WiFi 數(shù)傳模塊再將畫面?zhèn)鬏斒謾C(jī)或者平板中。WiFi 數(shù)傳模塊供電電壓為5 V，驅(qū)動(dòng)電流為1 A，搭載64 MB RAM 儲(chǔ)存，配備一個(gè)USB 接口，天線上搭載大功率板載天線，通過TTL 串口進(jìn)行通信。高清攝像頭模塊通過USB 接口與數(shù)傳模塊相連，其供電電壓為5 V，像素為30 萬，輸出幀率為30 f/s，支持手動(dòng)調(diào)焦。圖4和圖5分別為高清攝像頭和WiFi 數(shù)傳模塊實(shí)物圖[6]。

圖4 高清攝像頭實(shí)物圖

圖5 WiFi 數(shù)傳模塊實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)與具體功能開發(fā)上，使用到了下面四款軟件，包括Proteus 8 Professional、Java、APP Inventor2、Arduino 1.8.13。由于在硬件上使用Arduino nano 及配套開發(fā)板，所以使用Arduino 1.8.13 進(jìn)行編程。在該軟件可以對(duì)機(jī)器貓的動(dòng)作進(jìn)行編程控制，在完成程序編寫以后可直接燒錄到機(jī)器貓中。具體電路設(shè)計(jì)上使用到Proteus 8 Professional。在控制APP 的開發(fā)上，使用APP Inventor2 進(jìn)行開發(fā)。在設(shè)計(jì)操作界面上，通過設(shè)計(jì)幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鈕，以完成復(fù)雜的功能；在APP打包上，僅需導(dǎo)入機(jī)器貓的控制源碼，就能生成打包APK 軟件[7]。

3.1 程序流程

在程序流程上，機(jī)器貓以APP Inventor2 軟件開發(fā)的APP 應(yīng)用程序?yàn)榛A(chǔ)，智能手機(jī)或者平板通過藍(lán)牙連接，完成機(jī)器貓與控制端設(shè)備的配對(duì)。完成設(shè)備配對(duì)后，可以發(fā)出舵機(jī)位置校對(duì)命令，調(diào)節(jié)機(jī)器貓的平衡性，使機(jī)器貓的運(yùn)行更加穩(wěn)定；完成舵機(jī)調(diào)節(jié)，發(fā)送前、后、左、右的控制命令，就可以完成機(jī)器貓前后左右的移動(dòng)。圖6為程序流程。

圖6 程序流程

3.2 Arduino 開發(fā)系統(tǒng)

該軟件為Arduino nano開發(fā)板的配套軟件，是一款方便、簡(jiǎn)單的開源電子平臺(tái)，兼容主流的操作系統(tǒng)，對(duì)Linux 也有不錯(cuò)的兼容性，使用的語言是C 語言。在Arduino 上編寫程序，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件，通過數(shù)據(jù)線可燒錄到機(jī)器貓中的Arduino nano 芯片中，即可完成具體功能的實(shí)現(xiàn)[8]。圖7為Arduino 代碼實(shí)圖。

圖7 Arduino 代碼實(shí)圖

3.3 APP Inventor2 程序設(shè)計(jì)

開發(fā)的APP 程序所利用的APP Inventor2 平臺(tái)，需用到谷歌賬號(hào)進(jìn)行開發(fā)，受國內(nèi)某些政策影響，無法正常通過谷歌賬號(hào)進(jìn)行使用。但所幸也可通過廣州市教育信息中心服務(wù)器完成開發(fā)，通過郵箱或者QQ 登錄http：//app.gzjkw.net/login/網(wǎng)絡(luò)地址。登錄后，點(diǎn)擊新建項(xiàng)目按鈕，輸入項(xiàng)目名稱Cat_Robot，即完成APP 前期的準(zhǔn)備工作。具體設(shè)計(jì)上，該APP 開發(fā)分為界面設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)兩部分[9]。圖8為程序開發(fā)平臺(tái)項(xiàng)目建立。

圖8 程序開發(fā)平臺(tái)項(xiàng)目建立

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

在完成好仿真四足機(jī)器貓的硬件設(shè)計(jì)和軟件部分程序的設(shè)計(jì)后，進(jìn)入到系統(tǒng)調(diào)試的環(huán)節(jié)。在完成設(shè)備及配套模塊組裝后，就需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試。具體測(cè)試內(nèi)容包括APP連接控制測(cè)試、GPS 定位模塊測(cè)試和監(jiān)控模塊測(cè)試。

4.2 GPS 模塊測(cè)試

下面進(jìn)入到GPS 模塊的測(cè)試中，將GPS 模塊安裝在仿真機(jī)器人的電池盒下面。該模塊帶有磁鐵，能夠和仿真機(jī)器貓緊密相連。打開GPS 模塊，在提示燈紅燈慢閃30 s 后就完成上線。繼續(xù)在平板打開定位軟件，接收到模塊發(fā)送過來的信號(hào)，可以在地圖上清晰見到仿真機(jī)器貓的位置。圖9為測(cè)試階段機(jī)器貓的實(shí)時(shí)位置[10]。

圖9 實(shí)時(shí)位置圖

4.3 監(jiān)控模塊測(cè)試

監(jiān)控模塊是機(jī)器貓的重要組成部分，機(jī)器人上的攝像頭用來采集和記錄來自機(jī)器人的實(shí)時(shí)視頻[10]。在實(shí)際操作時(shí)，攝像頭將拍攝到畫面?zhèn)魉偷絎iFi 數(shù)傳模塊。WiFi 數(shù)傳模塊通過WiFi 將畫面?zhèn)鞯紸PP 界面上，完成對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)控。為了拍攝的穩(wěn)定性，攝像頭需要進(jìn)行加固，避免畫面虛化。圖10為監(jiān)控測(cè)試拍攝實(shí)圖。

圖10 監(jiān)控測(cè)試拍攝實(shí)圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的仿真四足機(jī)器人利用平板等操控設(shè)備通過藍(lán)牙與仿真機(jī)器貓的藍(lán)牙模塊相連，進(jìn)而使用機(jī)器貓控制APP，完成機(jī)器貓前后左右的移動(dòng)。配備的定位模塊可以精準(zhǔn)顯示仿真機(jī)器貓的實(shí)時(shí)位置，監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)在操控設(shè)備上顯示周圍情況，便于使用者做出實(shí)時(shí)判斷。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的四足仿真機(jī)器人擁有良好的協(xié)調(diào)性、對(duì)地形不錯(cuò)的適應(yīng)性以及仿形化所帶來出色的隱蔽性，能夠執(zhí)行人所不能完成的危險(xiǎn)任務(wù)。