楊澤平，　文　賡，　蔡妤婕，　馬佳敏，　饒婷霜，　郭夢潔

(1. 華東理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200237; 2. 上海電力學(xué)院 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 上海 200090)

0　引　言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類成功研制了許多現(xiàn)代化、高科技的機(jī)器設(shè)備，這些設(shè)備往往在某些方面具有不可比擬的優(yōu)勢以及強(qiáng)大的功能。但是，和自然界的生物比起來，在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動特性、適應(yīng)性、生存能力等方面卻望塵莫及[1-2]。這是因?yàn)樽匀唤绲纳锝?jīng)歷了億萬年的適應(yīng)、進(jìn)化、發(fā)展過程，經(jīng)受住了嚴(yán)酷的自然選擇，這才使得生物體在這些方面得天獨(dú)厚、巧奪天工，使其生物特性趨于完美[3-4]。道法自然，通過向自然界學(xué)習(xí)來獲取技術(shù)發(fā)明的靈感，采用仿生學(xué)原理，往往能夠設(shè)計出運(yùn)動特性更加靈活、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)更加合理的機(jī)器設(shè)備[5-6]。

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、危險環(huán)境的高度自動化裝備來進(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，從自然界來獲取設(shè)計研究的靈感，設(shè)計出同時兼具機(jī)器與生物共同優(yōu)點(diǎn)的機(jī)器設(shè)備[7]。這些機(jī)器設(shè)備在軍事、救災(zāi)等方面有著諸多用途；譬如在軍事行動中進(jìn)行攻擊、排雷等危險作業(yè)，在救災(zāi)時進(jìn)入危險環(huán)境對人員進(jìn)行搜救以及物資的運(yùn)輸?shù)龋涣硗?，在人類進(jìn)行太空探索、星球探測和深海探測等未知環(huán)境的探索時也發(fā)揮著不可替代的作用[8-10]。

智能昆蟲機(jī)器人的設(shè)計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)。隨著近年來電子技術(shù)與計算機(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)對于功耗、成本、可靠性等方面的嚴(yán)格要求，所以在近年來取得了極大的發(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端設(shè)備——智能手機(jī)也屬于嵌入式設(shè)備的范疇。通過移動端嵌入式設(shè)備作為控制終端，對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。經(jīng)過30多年的發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)跨越了4個階段：最初階段嵌入式技術(shù)只是利用單個芯片為核心的可編程控制器所設(shè)計構(gòu)建的系統(tǒng)；之后發(fā)展到包含有CPU以及簡單的操作系統(tǒng)的新式嵌入式技術(shù)，進(jìn)入了嵌入式技術(shù)發(fā)展的第2階段；而第3階段的標(biāo)志則是成熟的嵌入式系統(tǒng)；目前正處于的第四階段，其主要標(biāo)志就是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入，是計算機(jī)、通信、微電子以及半導(dǎo)體等技術(shù)融合的結(jié)果。藍(lán)牙通信技術(shù)自1994年由愛立信首先提出后，由于其對于多設(shè)備連接的支持，解決了數(shù)據(jù)同步問題，因此得到了迅速的發(fā)展，目前管理機(jī)構(gòu)Bluetooth SIG(Bluetooth Special Interest Group，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟)已經(jīng)發(fā)布了第5代版本“藍(lán)牙5”[11-12]。目前較為先進(jìn)的藍(lán)牙模塊均采用了藍(lán)牙低功耗技術(shù)(Bluetooth low energy，BLE)，在實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐瑫r，降低了模塊功耗[13-14]。另外，作為信息技術(shù)的三大支柱之一，傳感器、計算機(jī)和通信技術(shù)一樣都是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展程度的重要標(biāo)志。傳感器是獲取信息的重要手段，能夠?qū)⑻囟ǖ谋粶y物理量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號。傳感技術(shù)隨著現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步也得到了長足的發(fā)展，總的來說，傳感器技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：結(jié)構(gòu)型傳感器、固體傳感器、智能傳感器。由于其與現(xiàn)代科學(xué)關(guān)系密切，對各學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展有巨大的促進(jìn)與助力，許多發(fā)達(dá)國家把其當(dāng)做一個時代的標(biāo)志，而我國也在“十五”計劃中將傳感器列為重點(diǎn)科技研究發(fā)展項目之一。

與輪式機(jī)器人相比，昆蟲機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化、惡劣的地理環(huán)境中具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可以到達(dá)常規(guī)輪式機(jī)器設(shè)備無法行動的地方進(jìn)行作業(yè)[15-16]。本文基于Arduino主控實(shí)現(xiàn)的智能昆蟲機(jī)器人，集成了距離傳感器、藍(lán)牙通信、紅外通信、信號燈、蜂鳴器和TTL串口語音模塊，并通過主控芯片ATmega328的總體協(xié)調(diào)控制，解決了在實(shí)際作業(yè)中所遇到的自動避障、遠(yuǎn)程控制、集群交互通信、智能提示等問題，在面對復(fù)雜地形時擁有更強(qiáng)的適應(yīng)能力和靈活性。

1　總體架構(gòu)

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

圖1硬件總體架構(gòu)

其中，通過Risym HC-05無線藍(lán)牙模塊來實(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)來的指令請求，轉(zhuǎn)交給ATmega328微處理器執(zhí)行。GP2Y0A21 距離傳感器實(shí)時監(jiān)測機(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。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個微型伺服電機(jī)，為機(jī)器人行走提供動力。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的警報提示。TTL串口語音模塊用于向用戶進(jìn)行語音提示以及語音交互。信號燈模塊對電源狀態(tài)、藍(lán)牙連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)進(jìn)行提示，如圖2所示。

2　核心模塊設(shè)計

2.1　主控模塊

圖2　指示燈模塊示意圖

主控模塊的核心即ATmega328微控制器，系統(tǒng)時鐘頻率為16 MHz，正常工作電壓為直流5 V，主控模塊包含有4個數(shù)字輸入口，4個模擬輸入口，兩個PWM口，1組UART端口，1組I2C端口,1個Micro USB接口，2組電源端口。ATmega328引腳配置圖如圖3所示，主控模塊電路圖如圖4所示。

2.2　硬件接口設(shè)計

2.2.1接口概述

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所需功能，硬件主控板集成的接口如表1所示。

基于結(jié)構(gòu)與功能模塊設(shè)計，硬件主控板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

硬件主控板實(shí)物如圖6所示。

圖3ATmega328引腳配置圖

圖4　主控模塊電路圖

接口類型數(shù)量備注數(shù)字輸入口4D2～D5模擬輸入口4A0～A3PWM口2UART端口1組I2C端口1組MicroUSB接口1個電源端口2組VIN輸入電源范圍：5～8V

圖5結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　接口實(shí)物圖

2.2.2接口定義

硬件接口的具體定義示意圖如圖7所示，在表2中給出了接口的詳細(xì)定義。

圖7　接口定義示意圖

2.2.3ICSP接口

ICSP-in circuit serial programmable，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。引腳定義如圖8所示。

圖8　ICSP端口定義

絲印數(shù)字端口PWM端口模擬端口串口I2C端口RXTX01Serial0SDAA4SDASCLA5SCLD22D333D44D555A0A0A0A1A1A1A2A2A2A3A3A3

2.3　通信協(xié)議

機(jī)器人與移動端之間的通信采用藍(lán)牙通信，藍(lán)牙通信協(xié)議體系結(jié)構(gòu)框架如圖9所示，藍(lán)牙協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)自下而上可分為3個部分：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)。

圖9藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)框架

移動端與機(jī)器人之間的藍(lán)牙Socket通信流程如圖10所示。

圖10藍(lán)牙Socket通信流程

與常用的Socket套接字通信模式類似，BluetoothSocket通信中由BluetoothSocket 和 BluetoothServerSocket分別充當(dāng)客戶端和服務(wù)器。首先由服務(wù)器端BluetoothServerSocket對象創(chuàng)建一個BluetoothSocket對象，調(diào)用BluetoothServerSocket的accept()來獲取，而客戶端則通過調(diào)用BluetoothDevice的createRfcommSocketToServiceRecord()來獲?。辉诜?wù)器啟動服務(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BluetoothSocket對象返回給客戶端，建立連接后，服務(wù)器和客戶端的BluetoothSocket對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)計中移動端APP界面如圖11所示，根據(jù)藍(lán)牙連接流程依次進(jìn)行藍(lán)牙的連接與通信測試。首先打開藍(lán)牙，通過搜索設(shè)備搜索機(jī)器人中集成的藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對，配對成功之后通過CONNECT建立連接，連接建立之后即可通過控制按鈕控制機(jī)器人行動。

圖11移動控制端APP界面圖

昆蟲機(jī)器人移動端控制測試結(jié)束后，對昆蟲機(jī)器人進(jìn)行了自動避障測試，測試結(jié)果證明機(jī)器人能夠在多種不規(guī)則地形中行動，并在合理范圍內(nèi)對所遇障礙進(jìn)行自動規(guī)避。昆蟲機(jī)器人如圖12所示。另外，通過多個機(jī)器人之間的聯(lián)合測試，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)器人對智能語音提示與蜂鳴器警告功能進(jìn)行了測試，結(jié)果證明了TTL串口語音模塊的有效性。

圖12　昆蟲機(jī)器人

4　結(jié)　語

本文就智能昆蟲機(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)勢與具體適用場景。基于以上研究分析，對昆蟲機(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)自動避障、遠(yuǎn)程控制、集群通信交互、智能提示等功能，并通過在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中測試進(jìn)行了驗(yàn)證。

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不忘初心，方得始終。衷心祝愿淮海人不忘初心，牢記使命，大力弘揚(yáng)人民兵工紅色基因，實(shí)現(xiàn)“一切為了前線，一切為了打贏”的企業(yè)價值觀，繼續(xù)在太行精彩鑄劍，為保家衛(wèi)國作貢獻(xiàn)！

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·名人名言·

提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因?yàn)榻鉀Q問題也許僅僅是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。

——愛因斯坦