基于Arduino的移動機器人控制系統設計

彭攀來，馬婭婕，劉智旸

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

隨著計算機技術、傳感器技術、自動控制技術、通信技術、人工智能等技術的快速發展，促使了機器人在各行各業的快速應用。家用機器人是機器人的一種應用類型，在日常生活中，越來越多的家用機器人逐漸與我們相伴。針對家用機器人，目前比較成熟的控制方式有：語音控制方式、紅外線遙控方式、基于網絡的電腦遙控方式、基于WiFi無線網絡控制方式、基于GSM/GPRS網絡的遠程控制方式等，這些控制方式的存在，促使了家用機器人在日常生活中得到一定的應用，但是這幾種控制方式存在不便于攜帶、移動性較差、且控制環境需要網絡等問題[1]。

針對以上問題，本文提出了利用“Arduino+Android”通過藍牙通信功能來實現對移動機器人控制的解決方案，同時利用Arduino能通過各種各樣的傳感器感知環境的能力提供后續對家庭環境監控的控制接口。該系統成本較低，操作靈活方便，經實際對移動機器人控制結果表明：該系統能夠實現精確手動控制機器人的運動的既定目標和避障功能，且能同時實現自動循線和尋光等功能[2]。

1 系統的整體結構設計

該系統由上位機和下位機2部分構成：上位機采用帶藍牙通信功能的Android手機，使用Java語言編寫的Android應用程序作為移動機器人的控制軟件；下位機采用Arduino單片機來實現對移動機器人的整體控制。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall system block diagram

該系統設計并主要實現的功能：

1）系統控制：系統通過藍牙連接成功之后，進入控制模式，用戶通過Android手機來與Arduino通信，實現移動機器人的前進、后退、左轉、右轉和停止。

2）超聲波避障：移動機器人通過超聲波傳感器測算前方障礙物的距離，如果超過設定的閾值，則下位機發出指令，停止前進。

3）循線和尋光行駛：用戶通過手機發送循線或者尋光命令后，移動機器人進入自動行駛模式，它可以根據事先畫在地上的黑線或者追尋光線行駛，不需要用戶控制，當它檢測不到黑線或者光線時，停止行駛。

2 硬件設計

移動機器人主要包括：Arduino單片機模塊、藍牙模塊、超聲波避障模塊、循跡模塊、尋光模塊、電機驅動模塊、電源模塊等。Arduino功能整體框圖如圖2所示。

圖2 Arduino整體框圖Fig.2 Arduino overall block diagram

2.1 Arduino單片機模塊

Arduino是一個開放源代碼的單芯片微控制器，并且具有使用類似 Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。Arduino的主要功能特點如下：

1）開放源代碼的電路圖設計。程序開發接口免費下載，也可依需求自己修改。

2）使用低價格的微處理控制器 （ATmega8或AT-mega128）。可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入。

3）支持 ISP線上燒入器，將Bootloader固件燒入芯片。

4）可依據官方提供的PCB和SCH電路圖，簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制。

5）可簡單地與傳感器，各式各樣的電子元件連接如紅外線、超音波、熱敏電阻、光敏電阻、伺服馬達等。

6）支持多樣的互動程序如 Flash，Max/MSP，VVVV，Pure Data，C，Processing等。使用低價的微處理控制器。

7）應用方面，利用Arduino，突破以往只能使用鼠標、鍵盤、CCD等輸入裝置的互動內容，可以更簡單地達成單人或多人游戲互動。Arduino的功能特點，使其得到了越來越廣泛的應用。系統通過Arduino來控制移動機器人的一系列功能[3-4]。Arduino控制電機的原理如圖3所示。

圖3 Adruino控制電機原理Fig.3 Arduino control motor schematic

2.2 藍牙模塊

系統中采用藍牙模塊來實現Arduino和Android之間的通信。采用藍牙作為無線通訊的手段，原因在于：1）藍牙串口數傳模塊成本低，便于對底層運行平臺進行擴展；2）大多數智能手機均配有藍牙通訊功能，且標準Android系統中均支持基于藍牙的串口通訊功能；3）藍牙通訊距離較短，且為一對一的通訊方式，可以避免遠距離時對機器人的誤操作。

2.3 超聲波避障模塊

系統中采用超聲波模塊來實現移動機器人的避障，該模塊由超聲波發射器、接收器和控制電路等組成。模塊為四線接口，分別為5 V電源、GND地線、信號輸入INPUT、信號輸出OUTPUT。超聲波測距避障的基本原理是通過超聲發射換能器不斷發出聲波脈沖，聲波脈沖通過空氣介質傳播，當聲波脈沖遇到障礙物后反射回來被接收換能器接收，根據聲速及時間差計算出障礙物的距離，此時移動機器人停止前行，利用手動控制來轉向避障。假定為超聲波換能器到障礙物間的距離L，超聲波發射與接收的時間差為T（單位：s），在空氣中的傳播速度為V（單位：m/s），關系為

由于聲波在空氣中傳播的速度與溫度有關，在精度要求比較高的情況下需要做溫度補償校正，按式（2）對聲速進行修正。

式中：T為測量時的實際溫度；V為超聲波在空氣介質中的傳播速度[5]。

2.4 循跡和尋光模塊

循跡模塊可以檢測白底中的黑線，也可以檢測到黑底中的白線。該傳感器是黑線低電平有效，當傳感器檢測到黑線就讓電機開始轉動。尋光模塊采用的是基于半導體的光電效應原理所開發的光線傳感器，其可對周圍環境光的強度進行檢測，實現移動機器人的尋光功能。

2.5 電機驅動模塊

移動機器人的電機驅動和電池決定了它整個的運行性能。移動機器人的電機驅動系統由功率變換器、電機以及控制器構成。本系統采用的電機驅動模塊是SGS公司的L298N，其內部含有4通道邏輯驅動電路即有2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器接收標準TTL邏輯電平信號，驅動46V、2 A以下的電機。

2.6 電源模塊

系統采用ACE鋰聚合物電池給機器人供電，充電鋰電池1200 mAh、7.4 V、持續15 C放電。由于高容量、超高放電倍率的產品，價格也較高，但在很多設備中，并不能發揮超高放電倍率的電池能力；其次，很多設備，也不適合重量較大的高容量電池，由此，特采用放電倍率稍低、容量適中的小鋼炮系列[6]。

3 軟件設計

整個軟件系統可以分成Android手機端軟件程序和智能移動機器人端Arduino單片機程序。Android整體流程如圖4所示。

圖4 Android整體流程Fig.4 Android overall flow chart

3.1 Android軟件端程序

Android軟件端程序分為藍牙模塊和通信模塊。各模塊設計如下：

1）藍牙模塊：完成HC-06藍牙模塊的配對與數據交換。

進入控制界面后，如果藍牙未開啟，用戶點擊桌面上藍牙圖標，執行開啟藍牙的功能，當用戶允許打開藍牙并同意設備可見后，使用Bluetooth Adapter.start-discover（）方法命令手機端自動搜索周邊設備；如果藍牙已經開啟，則自動搜索周邊設備。同時桌面顯示出設備鏈表，用戶可以在設備鏈表中查看周邊可用的藍牙設備，選取移動機器人藍牙模塊對應的藍牙設備名稱，創建BluetoothSocket進行自主連接，創建RFCOMM通信通道。待連接完成后，使用Item.setvisible（）方法使方向控制按鈕顯示出來。Android手機連接藍牙模塊流程如圖5所示。

圖5 Android手機連接藍牙模塊流程Fig.5 Android phone connect to bluetooth module flow chart

2）通信模塊

藍牙設備連接成功，建立了RFCOMM通道后，便可進行數據通信了。用戶通過點擊控制桌面上的前進、后退、左轉、右轉、停止等按鈕來控制移動機器人的運動。軟件監聽每個方向Button的ButtonClick（）點擊事件。在移動機器人的Arduino部分，通過它的藍牙接收從安卓手機藍牙發送出來的控制指令，經過分析處理后指揮移動機器人進行相應的運動。手機端如果退出程序則斷開通信連接，關閉藍牙并關閉程序，否則繼續通信。手機和移動機器人一方斷開后，藍牙模塊將處于可搜索連接的狀態，等待下一次的連接通信[7]。

3.2 Arduino單片機程序

Arduino單片機程序分成藍牙模塊、超聲波避障模塊、循跡模塊、尋光模塊。

各模塊設計如下：

1）藍牙模塊：通過串口接收HC-06模塊發送來的Android手機端控制命令。

2）超聲波避障模塊：通過超聲波的測距功能，來實現避障。當超聲波測出前障礙物小于某一設定值時，移動機器人停止前進。

3）循跡模塊和尋光：通過循線和尋光傳感器的信號來控制移動機器人的自動行駛。

3.3 控制系統界面

控制顯示界面如圖6所示，在這里用戶可以選擇相應的交互界面。

圖6 控制顯示界面Fig.6 Control display interface

啟動安裝在Android手機上的軟件，點擊控制界面上的“打開藍牙”按鈕，成功與移動機器人上的藍牙配對之后，點擊“手動控制”按鈕，系統進入手動控制模式。用戶可以通過手機來控制移動機器人的前進、后退、左轉、右轉和停止，同時，安裝有超聲波的移動機器人不斷地測算機器人距離前方障礙物的距離，來實現避障。

點擊“自動”按鈕，詢問“循線？”，肯定回答，則進入循線模式，移動機器人根據事先畫在地上的黑線行駛，不需要用戶控制，當移動機器人檢測不到黑線時，停止行駛。否定回答，則進入尋光模式，根據光線強度來進行行駛[8-9]。

4 系統調試

在Arduino控制器上添加藍牙模塊，由上位機Android手機通過藍牙模塊來發送相關指令給Arduino，Arduino進行分析處理后，控制移動機器人來執行相關的命令。然后Arduino通過判斷接收到的指令來對移動機器人2個電機轉動的形式進行控制。它在收到Arduino發來的指令后，執行相關的動作。同時，搭載在移動機器人上的超聲波在遇到前方障礙物時，能及時停止，來避開障礙物。在此基礎上，移動機器人可以根據事先畫在地上的黑線行駛，當它檢測不到黑線時，停止行駛。同時在遇光線時，跟隨其移動。移動機器人整體圖如圖7所示。

圖7 移動機器人整體圖Fig.7 Mobile robot overall physical map

5 結語

本文設計和實現了一種基于Arduino的移動機器人系統，給出了各個功能模塊的設計和具體實現方法。完成了系統的手自動控制。通過藍牙實現了實時、靈活地控制移動機器人行駛，通過相應的傳感器實現了移動機器人的一系列功能。測試結果表明，該控制系統操作簡單靈活、運行穩定、實時性強。本系統在家用機器人領域有較為廣闊的應用前景并且為研究物聯網及智能家居系統提供了極其重要的參考價值。

[1]李瑞，李曉明.基于Mobile-Android小型移動機器人平臺控制系統[J].機電工程，2013，30（11）：1414-1419.

[2]王志凌，聞凱，陳杰.基于Android的小型移動機器人控制系統[J].國外電子測量技術，2014，33（9）：4-7.

[3]程晨.Arduino開發實戰指南：AVR篇[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]Bender P，Kussmann K.Arduino based projects in the computer science capstone course[J].Journal of Computing Sciences in Colleges，2012，27（5）：152-157.

[5]蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

[6]李杜.基于HC-SR04的超聲波測距裝置算法研究[M].南京：東南大學出版社，2012.

[7]景曉軍，李劍勇，喬鳳杰，等.精密數控直流電源設計[J].電源世界，2011（10）：30-33.

[8]崔才豪，張玉華，楊樹財.利用Arduino控制板的光引導運動小車設計[J].自動化儀表，2011，32（9）：5-7.

[9]田波，陳建平，付根平.基于互聯網的移動機器人遙操作系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2013，21（5）：1269-1272.