謝 云, 羅梓華

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

Android手機(jī)控制球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝 云, 羅梓華

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 廣東 廣州 510006)

鑒于工程教育專業(yè)認(rèn)證對(duì)本科學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的要求,綜合球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制原理、藍(lán)牙通信、JAVA程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù),開發(fā)了Android手機(jī)遙控的自主運(yùn)動(dòng)球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

球形機(jī)器人； 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)； 工程教育專業(yè)認(rèn)證； 復(fù)雜工程問題

現(xiàn)代工程發(fā)展的綜合性、多樣性和跨學(xué)科交融性,對(duì)我國(guó)高校工科專業(yè)在學(xué)科交叉、課程設(shè)置及其內(nèi)涵、面向工業(yè)界等方面提出了新的更高的要求[1-2]。工程教育專業(yè)認(rèn)證是提高中國(guó)高等工程教育的抓手?！吨袊?guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)(2015版)》強(qiáng)調(diào)工程類本科專業(yè)對(duì)“解決復(fù)雜工程問題”的要求[3-4]。本科階段工科教育以模擬“解決復(fù)雜工程問題”為載體,根據(jù)成果反向設(shè)計(jì)理念,按照核心能力要求,以現(xiàn)代實(shí)際的成熟的復(fù)雜工程問題研發(fā)過(guò)程典型化為載體,轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化、可操作的教學(xué)項(xiàng)目,其重點(diǎn)是“綜合、實(shí)踐”。

為此,本文結(jié)合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)工作,開發(fā)基于Android系統(tǒng)的手機(jī)控制球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。項(xiàng)目綜合了球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理、藍(lán)牙通信、JAVA程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù),及機(jī)械和電子的各工藝流程等,實(shí)現(xiàn)了以“解決復(fù)雜工程問題”為載體的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了便于學(xué)生理解球形運(yùn)動(dòng)、藍(lán)牙通信和機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本原理,更好地運(yùn)用JAVA程序設(shè)計(jì)和單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)符合要求的應(yīng)用程序,首先設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)部部件摩擦帶動(dòng)外部球殼運(yùn)動(dòng)的球體結(jié)構(gòu)[5-7],球內(nèi)的單片機(jī)和兩電機(jī)控制重心保持平衡,通過(guò)陀螺儀控制球形機(jī)器人的姿態(tài)；其次結(jié)合手機(jī)的觸屏功能、藍(lán)牙功能、視覺和重力感應(yīng)等,通過(guò)JAVA編程實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的通信和運(yùn)動(dòng)控制。并且基于該研究結(jié)果制訂相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案,提供本科生常規(guī)實(shí)驗(yàn)、綜合性與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及研究性實(shí)驗(yàn)。具體包括以下2個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo):

(1) 由STC12C5A60S2單片機(jī)、兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)、5層球內(nèi)部件、鋸齒內(nèi)外傳動(dòng)等構(gòu)成的球體子系統(tǒng)的半開放實(shí)驗(yàn)。為了便于學(xué)習(xí)球形運(yùn)動(dòng)算法和單片機(jī)編程技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用,開放算法設(shè)計(jì)部分,固化硬件電路和結(jié)構(gòu)部分,為學(xué)生提供機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用研究的平臺(tái)。

(2) 基于Android系統(tǒng)采用JAVA編程，實(shí)現(xiàn)球形機(jī)器人的通信、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,作為編程平臺(tái)開放給學(xué)生,學(xué)習(xí)對(duì)手機(jī)的觸屏、藍(lán)牙、視覺和重力感應(yīng)等功能的使用,增強(qiáng)學(xué)生結(jié)合應(yīng)用需求思考和解決實(shí)際問題的能力。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理

在各種運(yùn)動(dòng)方式中,球形滾動(dòng)有顯著的特點(diǎn):運(yùn)動(dòng)全向性(轉(zhuǎn)彎半徑可以為零)、摩擦力小、適應(yīng)崎嶇不平的地面(不會(huì)發(fā)生傾倒現(xiàn)象)，球面外殼可保護(hù)內(nèi)部所有部件,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、重量輕,系統(tǒng)可靠性好等。

由于球體的運(yùn)動(dòng)不能借助外力,只能依靠?jī)?nèi)部驅(qū)動(dòng)。主要有改變球體內(nèi)部質(zhì)心位置和內(nèi)部部件摩擦帶動(dòng)外部球殼運(yùn)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式。本文采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的第二種方式。但其難點(diǎn)在于內(nèi)部小車的姿態(tài)控制。

該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)部小車摩擦帶動(dòng)外部球殼滾動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)球體的重心,讓球形機(jī)器人在靜止時(shí)保持平衡。通過(guò)陀螺儀控制球體的姿態(tài),讓球形機(jī)器人在行進(jìn)中保證其方向。球體內(nèi)部?jī)呻姍C(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),可以控制小球的前進(jìn)與后退。兩電機(jī)一正一反或者一快一慢轉(zhuǎn)動(dòng),可以控制小球的方向改變。

2.2 球形機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先需要解決的是內(nèi)部組件的重心問題。球體內(nèi)質(zhì)量較大的主要是電池與電機(jī)。但試驗(yàn)表明,電池與電機(jī)的質(zhì)量不足使圓球的重心穩(wěn)定。因此,在電機(jī)與電池安放得盡量低的前提下,增加2片較重的鐵片在電機(jī)底部,保證圓球重心穩(wěn)定。

球體的結(jié)構(gòu)決定著圓球軌跡控制的精度。球體內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)從上至下為5層, 如圖1所示。第一層是起支撐作用的頂端軸承，因滾動(dòng)時(shí)要盡量減小與外殼的摩擦,故設(shè)計(jì)成光滑的圓盤狀。第二層是硬件電路PCB板、第三層是兩塊鋰電池、層次間用六角螺絲柱隔離。第四層為動(dòng)力層，2個(gè)固定在軸套固定架上的直流電機(jī),通過(guò)齒輪帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng),輪胎摩擦外殼帶動(dòng)整個(gè)球體滾動(dòng)。第五層為穩(wěn)定重心的配重層。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),普通外形的小輪胎帶動(dòng)外殼運(yùn)動(dòng)的能力較差,圓球滾動(dòng)速度受到很大的限制。因此,輪胎做成鋸齒狀,增大與外殼之間的摩擦。

圖1 圓球內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.3 球內(nèi)硬件電路

球內(nèi)硬件電路由單片機(jī)MCU模塊、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和三色LED組成,如圖2所示。采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為圓球的主控芯片。藍(lán)牙模塊采用2.0版本民用級(jí)別的HC-05芯片,調(diào)制度為2 Mbit/s～3 Mbit/s、內(nèi)置2.4 GHz天線、無(wú)線數(shù)字發(fā)射與接收、3.3 V 工作電壓、具有PIO0-PIO11、AIO0、AIO1、USB、PCM、UART及SPI接口。

圖2 球體控制電原理框圖

采用ST公司的帶二極管的推挽式四通道驅(qū)動(dòng)器L293DD。每?jī)蓚€(gè)通道可以構(gòu)成一個(gè)H橋,四通道驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)[8]。其操作電壓可達(dá)36 V,連續(xù)輸出電流可達(dá)600 mA/通道，峰值電流可達(dá)1.2 A/通道。

為了增大圓球的續(xù)航時(shí)間,采用2塊3.7 V的鋰電池并聯(lián)來(lái)為圓球所有電子元器件供電。用MC34063作為升壓芯片,設(shè)計(jì)了5 V升壓電路為單片機(jī)供電,6 V升壓電路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。此外,增加2個(gè)三色LED,為球形機(jī)器人提供閃爍功能,便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試,又有視覺沖擊，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

2.4.1 Android上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

使用基于Android系統(tǒng)的手機(jī)作為上位機(jī)來(lái)控制球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),通過(guò)手機(jī)界面生成響應(yīng)的操作指令發(fā)送給藍(lán)牙模塊。

藍(lán)牙程序主要使用BluetoothAdapter類、BluetoothDevice類、BluetoothSocket類、InputStream 類和OutputStream 類等。系統(tǒng)定義10個(gè)字節(jié)字符串的通信協(xié)議,以控制球形機(jī)器人的直線行走、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)、三色LED發(fā)光等功能。這10個(gè)字節(jié)的數(shù)組構(gòu)成定義:字節(jié)0為‘L’是LED控制指令,‘M’是電機(jī)控制指令；字節(jié)1和2為方向高低位,字節(jié)3為速度位,字節(jié)4和5為紅燈高低位,字節(jié)6和7為綠燈高低位,字節(jié)8和9為藍(lán)燈高低位。

設(shè)計(jì)一個(gè)360°搖桿來(lái)控制圓球的各個(gè)方向的動(dòng)作。既美化界面UI又方便操作。手機(jī)搖桿如圖3所示。圖中有2個(gè)圓心重合的圓?；液谏糠譃楣潭ú粍?dòng)的搖桿背景,表示搖桿的活動(dòng)范圍。中間彩色部分為可活動(dòng)的搖桿。

圖3 搖桿

搖桿程序思路如下:

首先,通過(guò)搖桿的坐標(biāo)與觸屏點(diǎn)的坐標(biāo)得到所形成的角度θ；然后,根據(jù)角度以及已知所在圓半徑r,算出搖桿所在灰色圓形上做圓周運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前坐標(biāo)(X,Y):X=r cos θ,Y=r sinθ 。搖桿在灰黑色圓形內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。程序中需要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行判斷:做圓周運(yùn)動(dòng)的大小,應(yīng)與灰色區(qū)域的半徑相同；觸屏事件中應(yīng)首先判定用戶觸屏的位置是否在灰黑色區(qū)域中,如果不在,需獲取搖桿與觸屏點(diǎn)的角度θ,再計(jì)算搖桿的坐標(biāo)(X,Y)；如果在,只需將搖桿位置跟隨用戶點(diǎn)擊位置；在觸屏事件中,當(dāng)用戶手指離開屏幕后,搖桿位置應(yīng)恢復(fù)到初始的位置。

重力感應(yīng)依靠手機(jī)的加速度傳感器(accelerometer)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Android系統(tǒng)中的所有傳感器均須通過(guò)SensorMannager來(lái)訪問[9]。調(diào)用getSystemService(SENSOR_ SERVICE)可獲得手機(jī)的傳感器管理對(duì)象。用Sensor-EventListener接口 onSensorChanged(SensorEvent event)捕獲手機(jī)傳感器的狀態(tài)。加速度傳感器的接口G-sensor,返回x、y、z三軸的加速度數(shù)值。

2.4.2 單片機(jī)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

用單片機(jī)串口的收發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)HC-05藍(lán)牙模塊的發(fā)送與接收。藍(lán)牙接收程序除了與Android上位機(jī)通信外,還能用于下載程序,為實(shí)際應(yīng)用時(shí)圓球的外殼實(shí)現(xiàn)完全密封提供了可能。

球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有直線行走、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。通過(guò)L293DD驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行來(lái)完成上述動(dòng)作。球形機(jī)器人的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)共用5個(gè)擋位,對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)彎幅度。原地旋轉(zhuǎn)可在狹小的空間內(nèi)靈活運(yùn)動(dòng)。通過(guò)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的EN1、EN2引腳輸入PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的速度。PWM信號(hào)用軟件模擬的方式來(lái)產(chǎn)生。

圓球內(nèi)部2個(gè)三色LED,通過(guò)軟件控制每種顏色輸入電壓的大小,理論上可變換出1 600 萬(wàn)種顏色。每種顏色LED的輸入電壓用IO口模擬PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 Android手機(jī)控制球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)

2.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

理解球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理與運(yùn)動(dòng)原理,掌握單片機(jī)編程技術(shù),學(xué)習(xí)電機(jī)控制與球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理；掌握J(rèn)AVA編程技術(shù),了解Android系統(tǒng)及其模擬器,研究智能手機(jī)的藍(lán)牙通信和重力感應(yīng)等應(yīng)用技術(shù)。

2.5.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有[10]:

(1) 單片機(jī)最小系統(tǒng):對(duì)三色LED的色彩顯示編程,對(duì)藍(lán)牙模塊的應(yīng)用編程；

(2) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制:了解電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293DD,依據(jù)圖2確定P1口與L293DD的IN1-4、EN1-2的具體連接情況,編程實(shí)現(xiàn)表1中的各種工作狀態(tài)；對(duì)EN端編程模擬PWM信號(hào),產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)速度；

表1 L293DD電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯表EN左電機(jī)控制輸入IN1IN2右電機(jī)控制輸入IN3IN4左電機(jī)工作狀態(tài)右電機(jī)工作狀態(tài)機(jī)器人工作狀態(tài)PWM0000停止停止停止PWM0110正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)PWM1001反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)PWM0101正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行(3) 上位機(jī)軟件編程與調(diào)試:JAVA編程各工程,各工程加入到Eclipes開發(fā)環(huán)境中；啟動(dòng)Android模擬器,在模擬器上運(yùn)行該工程；將手機(jī)連接到電腦上,運(yùn)行整個(gè)工程項(xiàng)目,在手機(jī)上出現(xiàn)各控制界面；點(diǎn)擊各個(gè)按鈕,保證運(yùn)行正常；

(4) 整體功能調(diào)試與運(yùn)行:Android手機(jī)藍(lán)牙功能打開,與機(jī)器人配對(duì)；拖動(dòng)右邊搖桿使圓球進(jìn)行運(yùn)動(dòng),界面提示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)為前進(jìn)/左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn),機(jī)器人能正確執(zhí)行上述動(dòng)作；切換到重力控制模式,傾斜手機(jī)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；用滑動(dòng)條來(lái)控制速度,從最低檔調(diào)節(jié)到第5檔，使速度遞增。

2.5.3 研究性實(shí)驗(yàn)拓展

可拓展的研究性實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主進(jìn)行[11]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可支持在硬件系統(tǒng)不變下的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展,如機(jī)器人配合LED色彩的方向校準(zhǔn)、原地旋轉(zhuǎn)與定位、速度精確變化,以及單機(jī)舞步規(guī)劃與多機(jī)聯(lián)動(dòng)等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì),開發(fā)基于Android系統(tǒng)的手機(jī)控制球形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目模擬解決實(shí)際復(fù)雜工程問題的研發(fā)步驟,體現(xiàn)了工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)的“內(nèi)涵”。目前,在相關(guān)“質(zhì)量工程”項(xiàng)目的資助下正準(zhǔn)備引入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué),經(jīng)過(guò)部分學(xué)生和教師的試運(yùn)行,受到好評(píng)。實(shí)踐表明:這種引導(dǎo)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)參與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的方式,既能讓學(xué)生有機(jī)會(huì)參與具體實(shí)踐,又可以開發(fā)符合工程教育更高要求的跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,使教與學(xué)進(jìn)入充分互動(dòng)的良性循環(huán)。

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Design and realization of experiment on spherical robot controlled by Android mobile phone

Xie Yun, Luo Zihua

(College of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

In view of the requirements for the authentication of Engineering Education speciality for undergraduate students to “Solve complex engineering problems,” an experimental platform for the autonomous spherical robot controlled by Android smart phone is developed by using the comprehensive spherical robot motion principle, Bluetooth communication, JAVA programming, MCU (microcontroller unit) software and hardware design, motor drive and mechanical structure design, etc. The results show that the expected experimental design objectives are achieved.

spherical robot; experimental design; authentication of Engineering Education speciality; complex engineering problems

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.010

2016-06-27

2014廣東省高等學(xué)?！百|(zhì)量工程”專項(xiàng)資金項(xiàng)目“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”(粵財(cái)教[2014]130號(hào))

謝云(1964—)，女，江西贛州，博士，教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息處理、智能機(jī)器人等.

E-mail：xieyun@gdut.edu.cn

TP242.6；G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0036-03