李嘉鵬 馬超 孫浩 馬守賢

摘 要：隨著智能機(jī)器人的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)越來(lái)越不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜要求，需要更加智能的控制方法來(lái)解決這一問(wèn)題。文章研究了基于慣性模塊的智能體感遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用DSP微處理器作為主控制器，同時(shí)利用慣性模塊實(shí)現(xiàn)體感識(shí)別操控，利用液晶模塊顯示當(dāng)前控制指令、機(jī)器人狀態(tài)以及當(dāng)前電池電量，采用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和警報(bào)。設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有體積小、操作簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定性高、智能遙控、擴(kuò)展性強(qiáng)等幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，基本能夠滿足機(jī)器人的遙控要求，特別是增加了基于藍(lán)牙手機(jī)的操控方法，使機(jī)器人的操控更加方便簡(jiǎn)單，具有較高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式控制；體感技術(shù)；慣性模塊；無(wú)線通信；智能終端

近年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的固定式機(jī)械手轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苿?dòng)的機(jī)器人，進(jìn)而滿足空間上的需求。本設(shè)計(jì)采用模塊化機(jī)械裝置，以單片機(jī)無(wú)線控制為核心，以STM32F103C8T6為主控制器。通過(guò)BMI160慣性傳感器模塊來(lái)檢測(cè)人體發(fā)出的信息，再利用無(wú)線通信模塊完成數(shù)據(jù)通信，同時(shí)利用液晶顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。用體感識(shí)別技術(shù)代替了傳統(tǒng)的按鍵控制，有效地減少了硬件設(shè)備的輸入并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。體感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于人們可以通過(guò)使用肢體直接與外圍設(shè)備或環(huán)境交互，而無(wú)需使用任何復(fù)雜的控制設(shè)備，它們可以使人們沉浸于內(nèi)容交互。根據(jù)體感的不同方式和原理，體感技術(shù)可分為四大類：慣性傳感、光學(xué)傳感、慣性傳感和光學(xué)組合傳感[1]。在本設(shè)計(jì)中，采用慣性傳感原理對(duì)手的位置進(jìn)行檢測(cè)。此外，本設(shè)計(jì)增加的智能終端控制可以讓控制人員使用手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備遠(yuǎn)距離遙控機(jī)器人。

1 系統(tǒng)方案及整體構(gòu)架

本設(shè)計(jì)以基于ARM Cortex-M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器STM32F103C8T6為主控制器，BMI160慣性傳感器用于手勢(shì)檢測(cè)，nRF24L01無(wú)線模塊用于指令發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，OLED液晶模塊用于顯示當(dāng)前控制指令、機(jī)器人狀態(tài)。采用LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)提示和警報(bào)，增加了電量監(jiān)測(cè)模塊，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)電量使用情況。主控制系統(tǒng)軟件中使用了狀態(tài)機(jī)流程代碼結(jié)構(gòu)，列舉了系統(tǒng)的所有可能狀態(tài)，對(duì)所有狀態(tài)進(jìn)行閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提升了控制器的代碼處理效率[2]。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

本設(shè)計(jì)采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器。其擁有32位內(nèi)核，工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置的64 K×8字節(jié)程序存儲(chǔ)器，20 K×8字節(jié)SRAM，輸入輸出I/O口37個(gè)，還包括時(shí)鐘，復(fù)位和電源管理等功能。電源電壓2.0～3.6 V，滿足低功耗要求。

2.2 傳感器處理模塊

本設(shè)計(jì)采用BMI160慣性傳感器模塊進(jìn)行體感遙控。傳感器模塊通過(guò)檢測(cè)X，Y，Z3個(gè)角度的偏移量和所受重力的不同數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳輸給主控芯片STM32F103C8T6后，進(jìn)入軟件濾波模塊，將因?yàn)楦鞣N干擾原因產(chǎn)生的不可靠數(shù)據(jù)濾除，以得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后運(yùn)行姿態(tài)計(jì)算，通過(guò)算法計(jì)算出X，Y，Z所在的三維角度數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)終端進(jìn)行控制。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)指令來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。采用嚴(yán)格的“問(wèn)答”形式，即每條指令的發(fā)送都要求機(jī)械手主體返回一幀數(shù)據(jù)包。

2.4 顯示模塊

采用OLED液晶模塊顯示機(jī)器人和機(jī)械臂的狀態(tài)以及當(dāng)前電池電量。OLED顯示技術(shù)具有自發(fā)光、廣視角、幾乎無(wú)窮高的對(duì)比度、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用。其內(nèi)部采用SSD1306主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)控制。OLED的特性是自己發(fā)光，不像TFT、LCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應(yīng)快、重量輕、厚度薄，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低等，被視為21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)品之一。

2.5 控制模塊

機(jī)器人及其手臂的信號(hào)控制主要通過(guò)一個(gè)16路PWM驅(qū)動(dòng)模塊和一個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板來(lái)完成。PWM驅(qū)動(dòng)模塊采用I2C通信方式，從通信上可以跟OLED顯示模塊共用同一套IO口，可以控制16路PWM給機(jī)器人及其手臂提供PWM信號(hào)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板是一個(gè)H橋電路，通過(guò)改變輸入信號(hào)的高低電平和PWM的脈寬就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人和機(jī)械臂的電機(jī)控制一共占用了10路PWM信號(hào)，還有6路PWM信號(hào)可以后續(xù)擴(kuò)展使用。此次，本次設(shè)計(jì)拓展了手機(jī)控制功能，可以利用手機(jī)上的特定APP實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，將來(lái)也可以利用WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)距離操控[3-4]。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，先進(jìn)入自檢狀態(tài)，檢測(cè)各模塊通信是否正常，電池電壓是否處在安全范圍內(nèi)，并將系統(tǒng)信息顯示在OLED屏幕上；自檢通過(guò)后，進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)里，系統(tǒng)會(huì)不斷地接收來(lái)自控制板傳來(lái)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)處理之后送給終端進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制，與此同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的DMA功能將不斷地傳輸電池電壓采集的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前電量狀態(tài)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)研究了基于DSP微處理器的嵌入式體感遙控機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，同時(shí)較詳細(xì)介紹了其硬件電路與軟件系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該遙控機(jī)器人操作簡(jiǎn)單方便、靈活性強(qiáng)、通信可靠、穩(wěn)定性好、多種控制方式更加人性化等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際使用中取得了較好的效果。

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