基于K60的藍牙小車機器人的運動控制

林鈺旋+陳森茂+史春笑

摘 要：APP遠程監控機器人是基于Android系統編寫APP，通過手機APP發送指令，ARM接收指令，通過串口發送給藍牙小車進行運動控制。本文主要介紹監控機器人系統中藍牙小車運動控制部分，本設計以K60芯片為控制核心，采用IRF3205作為電機驅動的MOS管，配以藍牙從機無線模塊，實現小車的運動控制，同時具有自動避障等功能。

關鍵詞：K60 藍牙遙控 電機驅動

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：B 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0216-03

一、引言

APP監控機器人在家庭、工廠、醫護等需監視的場合發揮著重要的作用，它可以有效避免一些意外事故的發生。互聯網、手機APP安卓系統的開發，使得人們通過手機就可以輕松控制機器人的移動。無線遙控實現方法包括藍牙、紅外、射頻等幾種，其中藍牙技術具有一定優勢，目前被廣泛應用在信息家電方面，各種家電共用遙控，并在可組網與公眾互聯網中連接，共享有用信息。藍牙技術實現無線遙控具有很高的市場價值及廣闊的應用前景。本設計通過結合ARM開發板，利用無線通信及K60藍牙處理、硬件測試，達到機器人實時監控、運動的目的。

二、系統硬件設計

1.總體方案設計

本系統以K60單片機為核心控制器，通過接在K60主板上的藍牙從機接受來自ARM開發板的指令，傳給K60讓其做出相應處理，通過PWM調制頻率，使電機驅動模塊工作。利用H橋電機驅動電路，控制兩個電機差速，從而改變輪子的轉向，達到控制小車運動的目的。通過超聲波避障模塊使小車安全行駛。整個藍牙小車模塊通過一個模塊電源供電，根據不同模塊的工作需求，電源模塊提供了3.3V、5V的電源。系統硬件框圖設計見圖1。

2.系統主要硬件模塊介紹

機器人小車硬件模塊主要有K60單片機、機器人小車底盤、藍牙串口模塊、電機驅動模塊、機器人小車電源模塊、7.2V鎳鎘電池。

2.1 K60單片機

K60芯片電源類引腳，BGA封裝22個，LQFP封裝27個，其中BGA封裝的芯片有五個引腳未使用。芯片使用多組電源引腳分別為內部電壓調節器、I/O引腳驅動、A/D轉換等電路供電，內部電壓調節器為內核和振蕩器。為了電源穩定，MCU內部包含多組電源電路，同時給出多處電源引出腳，便于外接濾波電容。K60最小系統芯片上同時具有藍牙接收模塊，這樣在設計主板上就節省了引出藍牙從機的插槽。

設計K60單片機的整個主板硬件控制電路，其中包括K60最小核心板及電機驅動PWM的接口，K60硬件主板引腳功能說明見表1。K60最小系統的引腳及主板設計的原理圖見圖2。

2.2 機器人底盤及電機

為了方便機器人運動轉向，本設計選擇了兩個電機分別控制兩個車輪，一個萬向輪在底盤前面，這樣利用電機的差速驅動左右電機不同轉速，就可以實現小車的轉向，圖3所示是小車的3輪底盤。由于驅動機器人需要很大的轉矩，所以選擇扭矩大，負載能力強的大功率直流電機。

2.3藍牙串口模塊

在K60最小系統板上有通用的藍牙接口模塊，通過外接藍牙從機模塊，就可以實現藍牙從機接收外部信號，傳送給K60單片機做出相應處理。本設計采用LQ-BTM藍牙從機，在與K60連接時要注意正確的通訊，BTM的RXD要與K60的TXD連接，K60的RXD要與BTM的TXD連接。藍牙從機接上K60后，LED燈常亮，表示藍牙連接狀態，閃爍表示沒有藍牙連接。通過手機APP界面的藍牙端發送指令，從機接收信號指令傳到K60，就可以進行運動處理，藍牙接口正確通訊連接見圖4。

2.4電機驅動模塊

機器人小車采用兩個直流電機進行差速運動，電機驅動模塊是典型的H橋電路，工作原理見圖5。

它是由四個三級管和四個二極管組成的控制電路，由于它的形狀酷似字母H，所以電路得名“H橋驅動電路”。要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。假設當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經Q1從左至右穿過電機，然后再經Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機往某一方向轉動；當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動，實現電機的正反轉。

根據H橋驅動電路，合理設計機器人小車電機驅動模塊，采用IRF3205共8個MOS管組成兩個電機的驅動電路，更好的實現電流、電壓的可逆，使小車更加穩定運動。雙電機驅動模塊接口原理圖見圖6，電機驅動電路見圖7。

2.5電源模塊

電機驅動模塊需要5V電源，利用LM1117-5穩壓芯片將來自外部7.2V的鎳鎘電池穩壓成5V。同理利用L6932芯片，采用多電容濾波，使穩壓后的3.3V電源更加穩定。圖8所示是5V和3.3V穩壓電路原理圖。

三、軟件設計實現

1.系統流程圖

本設計的系統流程圖見圖9，包含主程序流程圖及串口中斷服務函數。實現藍牙接收手機端發送過來的指令送給單片機進行處理，控制機器人小車運動，并實現自動避障功能，使機器人小車穩定運動。利用IAR軟件編程，燒寫程序進入K60單片機。整個設計涉及到藍牙模塊的設置，電機驅動輸出頻率的控制，以及串口中斷服務函數設計。

2.電機驅動PWM控制

在K60單片機中，利用FTM產生PWM來控制電機輸出占空比，從而使電機能夠進行差速，進而達到轉向的目的。程序中利用FTM_PWM_Duty（）函數，來控制FTM產生PWM調制波進而產生不同占空比。電機驅動程序如下：

void Moto_Forward//前進

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

void Moto_Backward（）//后退

{

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，500）；}

void Moto_TurnLeft（）//左轉

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3， 500）；

}

void Moto_TurnRight（）//右轉

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

3.USART串口中斷服務函數

通過打開串口接收中斷，進入中斷，執行UART4中斷服務函數，根據串口接收到的不同字符“E”、“A”、“B”、“C”、“D”在UART4中斷服務函數中執行不同的電機驅動函數，從而控制藍牙小車的運動。

void UART4_IRQHandler（void）

{char Buffer；

if（UART_Query（UART4）！= 0） //查詢是否接收到數據

{Buffer = UART_Get_Char（UART4）；

switch（Buffer）

{case ‘E：

Moto_Stop（）；//停止

break；

case ‘A：

Moto_Forward（）；//前進

break；

case ‘B：

Moto_Backward（）；//后退

break；

case ‘C：

Moto_TurnLeft（）；//左轉

break；

case ‘D：

Moto_TurnRight（）；//右轉

break；}}}

四、機器人小車的調試

整個機器人系統安裝完成后，逐個模塊調試，最后組合各個模塊系統統一調試。在下載調試K60時，需要用到J-Link驅動程序，安裝完驅動，根據K60的型號，在驅動中進行相應的設置。之后再在IAR開發環境中進行程序的燒寫。在工程中設置對應的K60型號，之后就可以編譯，下載，調試。通過K60的電機PWM接口傳送給電機模塊不同的頻率，這時用示波器測量頻率波形是否正常，其占空比是否達到預期，這樣可以避免接入電機模塊后，燒壞電機。利用手機APP藍牙開發界面，在手機上發送“前進”、“后退”、“左轉”、“右轉”的指令就能控制機器人小車運動。

根據以下步驟完成硬件的調試：第一，檢查對應模塊的原理圖接線是否正確；第二，檢查原理圖與所用器件的引腳是否吻合，進而排除邏輯上的錯誤；第三，用萬用表檢查是否出現虛焊，短路或者開路的現象，進而排除線路的問題和電源的故障情況；第四，利用IAR在下載調試K60過程中，最容易出現下載不了的情況，這時要注意Jlink的接線是否反，查看驅動Jlink固件有沒有解鎖。

五、小結

本項目設計并建立了一個可遠程控制的智能機器人監控系統，對此系統進行試驗證明：能夠遠程控制機器人行走，并可實時的獲得機器人所在區域的監控錄像，無人操控時具有自動避障功能，各個功能模塊正常工作，達到了預期效果。

參考文獻

[1]韓國棟.AltiumDesignerWinter09電路設計入門與提高[M].北京：化學工業出版社，2010：21-27.

[2]張興.電力電子技術[M].北京：科學出版社，2010：58-77.

[3]于少東.基于K60的智能車控制系統設計[J].四川理工學院學報（自然科學版）.2014：27（5）：1-4.

[4]周興超.可移動檢控機器人的研究[D].遼寧：沈陽理工大學，2009.

[5]譚浩強.C程序設計教程第2版[M].北京：清華大學出版社，2010：256-261.

[6]張偉.單片機原理及應用[M].西安：機械工業出版社，2002：153-202.