楊澤平+文賡+馬佳敏+蔡妤婕+饒婷霜+郭夢(mèng)潔

摘 要：研究智能昆蟲機(jī)器人與移動(dòng)設(shè)備交互通信，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)在Android環(huán)境下運(yùn)行的與智能昆蟲機(jī)器人交互控制應(yīng)用系統(tǒng)，使其可以運(yùn)行在手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上。系統(tǒng)易于操作，性能穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Arduino；藍(lán)牙；昆蟲機(jī)器人；移動(dòng)設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）08-00-03

0 引 言

近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的逐漸完善，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越感興趣，機(jī)器人技術(shù)已被認(rèn)為是未來(lái)高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一[1]。美國(guó)在智能機(jī)器人的技術(shù)研究方面一直保持領(lǐng)先，在航天、軍事等方面都使用了機(jī)器人技術(shù)，該技術(shù)具有性能可靠，精確度高，適應(yīng)性好等特點(diǎn)。日本在家用機(jī)器人研究方面發(fā)展迅速，發(fā)明了各種類型的機(jī)器人，可做壽司、幫助客人倒茶、喂食老人等。而歐洲各國(guó)也投入大量精力和財(cái)力來(lái)支持機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)。我國(guó)也越來(lái)越重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，清華大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)以及中科院等高校和研究所也積極推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展[2]。機(jī)器人技術(shù)不僅涉及工業(yè)制造、野外深空深?？碧娇睖y(cè)、醫(yī)療服務(wù)、教育娛樂(lè)、家庭陪護(hù)等領(lǐng)域，還涉及交通、消防、軍事等方面，由此產(chǎn)生了不同用途的機(jī)器人，如工業(yè)機(jī)器人、輪式/履帶式移動(dòng)機(jī)器人、外星探索機(jī)器人、水下機(jī)器人、飛行機(jī)器人、醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人和仿生機(jī)器人等[3]。這些機(jī)器人在面臨一些復(fù)雜環(huán)境完成相應(yīng)任務(wù)時(shí)，其自身對(duì)周圍環(huán)境的認(rèn)知就直接影響了任務(wù)的完成，所以對(duì)機(jī)器人環(huán)境感知、人機(jī)交互等方面提出了很高的要求。昆蟲機(jī)器人屬于仿生機(jī)器人的一種，它和依靠輪子或履帶式移動(dòng)的機(jī)器人相比，在崎嶇不平的地面上或有陡斜坡、階梯的地段上移動(dòng)時(shí)，穩(wěn)定性和可操作性更好。

Arduino是一個(gè)開源電子制作平臺(tái)，包括硬件（各種型號(hào)的Arduino控制板）和軟件（Arduino的集成開發(fā)環(huán)境和編程接口）。Arduino體積小、易于上手，是一款非常實(shí)用的開源硬件[4]。該平臺(tái)的硬件部分可以獨(dú)立購(gòu)買加以改造，重新組裝成新的電路板，且Arduino提供多種編程接口，既有類似于C語(yǔ)言的開發(fā)環(huán)境，也可以直接使用Flash或Processing等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能[5]。Arduino還提供了USB等接口，使其擴(kuò)展性更強(qiáng)，用戶可以通過(guò)反復(fù)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，因此廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域，特別是在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域?；贏rduino開發(fā)的機(jī)器人，易于操作，設(shè)備簡(jiǎn)單，非專業(yè)人士也可以按照自己的想法來(lái)設(shè)計(jì)開發(fā)。

隨著移動(dòng)設(shè)備和移動(dòng)機(jī)器人使用的頻繁、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及，人們對(duì)移動(dòng)設(shè)備和移動(dòng)機(jī)器人的用戶體驗(yàn)要求越來(lái)越高，研究智能機(jī)器人與移動(dòng)設(shè)備交互通信并給出實(shí)用的App系統(tǒng)對(duì)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)具有積極意義。本文基于開源硬件Arduino實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，給出了一個(gè)在Android環(huán)境下運(yùn)行的與昆蟲機(jī)器人交互的應(yīng)用系統(tǒng)，使得移動(dòng)設(shè)備和昆蟲機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)很好的通信。

1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，考慮移動(dòng)設(shè)備與昆蟲機(jī)器人的交互可以通過(guò)無(wú)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)線通信包括紅外、藍(lán)牙、WiFi和NFC等。NFC是近距離無(wú)線通訊技術(shù)，其基礎(chǔ)是非接觸式射頻識(shí)別及互連技術(shù)，具有能耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于其安全性高，因此在刷卡領(lǐng)域（門禁系統(tǒng)、交通一卡通、支付領(lǐng)域等）應(yīng)用廣泛。紅外通信采用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，此方式具有成本低、簡(jiǎn)單易用、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于移動(dòng)設(shè)備（筆記本電腦、移動(dòng)通訊設(shè)備等）之間的數(shù)據(jù)交換以及電視、空調(diào)遙控等，但其不適用于傳輸障礙較多的場(chǎng)景。WiFi是使用最廣泛的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，可以解決大數(shù)據(jù)量傳輸問(wèn)題，使得任何接入WiFi的設(shè)備之間都可以相互交換數(shù)據(jù)。藍(lán)牙也屬于短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，有著成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備（打印機(jī)、音響等）、移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、平板電腦、筆記本等）以及一些小型設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。相比NFC和紅外，雖然這些技術(shù)同屬短距離傳輸，但藍(lán)牙的距離一般可達(dá)10 m（紅外的使用距離為1 m，NFC的使用距離為0.1 m），并且在傳輸速率上也優(yōu)于NFC和紅外。相比WiFi，不僅WiFi的成本高、實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，其安全性也不高，因此藍(lán)牙通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，采用藍(lán)牙通信技術(shù)。

系統(tǒng)主要包括硬件和軟件部分。

硬件部分包括智能昆蟲機(jī)器人和藍(lán)牙模塊。智能昆蟲機(jī)器人采用DFRobot開源硬件組裝而成，包括前腿舵機(jī)、中腿舵機(jī)、后腿舵機(jī)、紅外傳感器、光線傳感器和Arduino主控板。硬件調(diào)試采用Arduino開發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)，文中使用Arduino-1.6.7版本。

軟件部分的開發(fā)環(huán)境為Android Studio，采用Android_studio_2.1.0.0版本，針對(duì)Android環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備和智能昆蟲機(jī)器人之間的通信。移動(dòng)設(shè)備在測(cè)試階段采用基于Android系統(tǒng)的手機(jī)，用戶通過(guò)手機(jī)App進(jìn)行操作，然后App通過(guò)調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙將操作對(duì)應(yīng)的指令發(fā)送給機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 藍(lán)牙模塊的安裝及調(diào)試

采用Risym HC-05無(wú)線藍(lán)牙模塊。Arduino主板已集成支持串口通信，分別為TX和RX引腳，需手動(dòng)引出。雖然串口通信引腳在USB接口中已有集成，但只適用于測(cè)試使用，若在機(jī)器人運(yùn)行中使用，不僅占用USB，還需從USB口引出USB數(shù)據(jù)線用于串口通信，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不穩(wěn)定。這里使用杜邦線引出，可直接用插拔的方式與藍(lán)牙模塊連接。具體包括以下操作：

（1）雙層板拆離；

（2）去排針+去舊焊錫；

（3）焊接新排針；

（4）將Arduino主板、底板和藍(lán)牙模塊與杜邦線連接。endprint

在Arduino軟件環(huán)境中，通過(guò)設(shè)置串口通信波特率即可進(jìn)行藍(lán)牙通信調(diào)試。在setup（）函數(shù)中通過(guò)Serial.begin（9600）語(yǔ)句來(lái)初始化波特率，然后在loop（）函數(shù)中循環(huán)等待藍(lán)牙連接后接受數(shù)據(jù)，定義的通訊協(xié)議為F：前進(jìn)；B：后退；L：左轉(zhuǎn)；R：右轉(zhuǎn)；A：自主移動(dòng)。進(jìn)行藍(lán)牙通信時(shí)，首先通過(guò)BluetoothAdapter獲取藍(lán)牙適配器對(duì)象，在打開藍(lán)牙、獲取藍(lán)牙適配器時(shí)，可能需要用戶通過(guò)對(duì)話框進(jìn)行確認(rèn)。獲取藍(lán)牙適配器之后，進(jìn)行可配對(duì)設(shè)備搜索時(shí)，首先判斷isDiscovering（）的狀態(tài)，如果此時(shí)狀態(tài)正忙，則通過(guò)cancelDiscovery（）重置startDiscovery（）的狀態(tài)后再進(jìn)行搜索；如果此時(shí)狀態(tài)空閑，則直接調(diào)用startDiscovery（）進(jìn)行搜索。搜索完成后，點(diǎn)擊可配對(duì)設(shè)備列表中的設(shè)備即可通過(guò)connectToPairedEquip進(jìn)行設(shè)備配對(duì)。配對(duì)成功之后即可通過(guò)getOutputStream與getInputStream進(jìn)行通信，不過(guò)需注意，由于藍(lán)牙通信的對(duì)象為嵌入式片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC），使用AT指令協(xié)議進(jìn)行通信，所以需要調(diào)用getHexBytes（）方法將字符轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制才能正常通信。具體流程如圖2所示。手機(jī)控制應(yīng)用得到的結(jié)果如圖3所示，顯示了可配對(duì)設(shè)備與當(dāng)前配對(duì)設(shè)備。

3 核心代碼的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

昆蟲機(jī)器人集成了各種精密傳感器數(shù)據(jù)處理模塊，可以通過(guò)手機(jī)的控制應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行等操作。在具體操作過(guò)程中，通過(guò)各傳感器來(lái)檢測(cè)昆蟲機(jī)器人周圍是否有障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，則回避障礙物，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，在避開障礙物后繼續(xù)前進(jìn)。避障具體流程如圖4所示。

此處主要通過(guò)analogRead（）函數(shù)來(lái)獲取左右光線傳感器與距離傳感器ADC接口與輸入模擬電壓相對(duì)應(yīng)的數(shù)值，然后將獲得的傳感器數(shù)值與設(shè)置的碰撞觸發(fā)閾值相比較來(lái)判斷周圍是否有障礙物。如果在直行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，則昆蟲機(jī)器人會(huì)調(diào)整前、中、后舵機(jī)的角度后退幾步，根據(jù)左右光線傳感器數(shù)據(jù)來(lái)決定左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)避障；如果在左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在障礙物，則會(huì)根據(jù)左右光線傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)判斷應(yīng)后退還是保持不動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)智能昆蟲機(jī)器人與移動(dòng)設(shè)備交互通信的研究，給出了一個(gè)在Android環(huán)境下運(yùn)行的與智能昆蟲機(jī)器人交互的控制應(yīng)用程序，不僅可以應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，也可以在所有Android環(huán)境下使用。未來(lái)將對(duì)軟件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改善，使其擁有更好的用戶體驗(yàn)，達(dá)到比較穩(wěn)定的程度。后期可將成熟的產(chǎn)品推廣到智能家居，可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，同時(shí)還應(yīng)考慮該機(jī)器人的商業(yè)化發(fā)展方向，使其擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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