感應式移動小車控制系統研究

夏子棋+李艷剛+王禹+雷鳴

摘 要：該設計是一種智能跟隨機器人，由小車端和手機端兩部分構成。小車端裝有電子羅盤、紅外線、超聲波、藍牙等模塊，使用Arduino主板作為小車的控制主板；手機端控制APP，負責采集手機的傳感器數據并加以處理，最后轉化為對應的指令通過藍牙模塊發送給小車執行。其中，使用了加速度傳感器、方向傳感器和電子羅盤等傳感器計算人的移動方向，并不斷嘗試提高算法的準確性和高效性，盡量避免出現較大的延遲，做到人與小車的同步移動。

關鍵詞：安卓；Arduino；藍牙；跟隨；算法

1 研究目的及思路

智能跟隨機器人，即不需要人操控便可智能跟隨人移動的機器人，只服務于確定的某一領域。它融合了多個學科和技術領域，從一定程度上來說，機器人是衡量現代科技和高端制造業水平的重要標志，也是搶占智能社會發展先機的戰略領域，象征著一個國家的科學技術發展水平及綜合實力。

智能跟隨機器人還屬于比較新的領域，市場上銷售、使用的相對較少，且價格昂貴。目前推出的智能跟隨機器人中，比較好的有由意大利公司Piaggio推出的私人貨物運輸機器人Gita、由我國鼎盛智能科技有限公司推出的ibotn，其平均售價為5000元，價格過高，難以大范圍普及。

本文主要描述了如何發明一種成本較低，操作更加便捷且能大范圍普及的智能跟隨機器人，讓智能跟隨機器人走進人們的生活，讓其小到日常生活，大到工廠結構化的環境，都可以自主地完成指定的工作任務來更好的為人類服務。

就目前的調查，發現其主要的實現原理有兩種。一種是靠“看”，另一種靠“聽”。“看”的研究方向即通過圖像識別、特征識別等辨別跟隨目標，并通過成像大小或者激光，紅外線等手段判斷與目標的距離和方向然后做到智能跟隨；“聽”的研究方向則是通過接受藍牙、無線電，紅外線，超聲波等信號并通過各種定位算法來確定目標的方位和距離。之前所提到的兩款跟隨機器人Gita和ibotn便是使用的“看”的方法。

為實現成本低、普及規模大的要求，該跟隨機器人的控制采用“聽”的辦法。利用手機自帶的傳感器來采集數據并利用手機CPU進行數據處理，小車只需接受手機傳遞的命令并執行，無需進行其他的運算。這樣不但大大降低了小車的制作成本，而且避免了采用紅外線等方法造成定位不精確的弊端。它的最終目標是成為一款智能陪伴機器人，擁有視頻對講、視頻抓拍、危險預警等功能，作為小孩子最好的玩伴和安全的保護者。

2 系統構架

該跟隨機器人采用手機作為控制設備，使用方向傳感器、加速度傳感器、電子羅盤等傳感器來采集數據，并通過對應的算法處理數據后生產對應的指令通過藍牙發送給小車執行。其采用價格相對較低、性比價更高的Arduino作為控制主板，主要的數據采集和數據處理由智能手機端的APP完成。小車端只安裝了一些必備的模塊，例如HC06藍牙模塊、HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器。

其中Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。包含硬件（各種型號的Arduino板）和軟件（Arduino IDE）。HC06藍牙模塊用于和手機保持通信，即接收手機端的藍牙模塊傳遞的移動指令，而HMC5883L三軸磁場傳感器和MPU6050加速度傳感器則用于采集當前小車的方向、速度等數據用于校正小車的移動方向。

3 實現方案

作為智能跟隨小車的主控APP，其主要負責利用藍牙與小車建立通信，并采集手機傳感器的數據，交由對應的算法處理，最后再將對應的指令發送給小車。由于目前智能手機品牌、機型眾多，所以必須考慮到各種情況，例如用戶手機沒有藍牙、沒有所需的傳感器等。所以在程序運行之前必須檢驗用戶手機是否具備能夠正常運行此款APP的條件，若不能則應及時給用戶提示信息。若用戶手機能夠正常運行APP，便可以直接激活藍牙連接小車，獲取傳感器數據，計算移動方向等。其主要作用是用于與小車建立藍牙通信、獲取傳感器數據、計算移動方向，所以該軟件主要需要解決藍牙連接和傳輸數據，傳感器數據獲取，算法設計等問題，并通過實踐不斷的優化計算移動的算法。

小車端的主要任務是對Arduino主板進行編程，并使用對應的ArduinoIDE來驅動電機帶動小車完成接收到的各種指令。其中，因為Arduino主板并不具備多線程處理能力，所以為了能夠在以后添加更多的功能，已通過軟件給Arduino添加一個名為wayTask的結構體用于模擬多線程處理。盡管處理方案并不完善，但Arduino已擁有了進行多線程處理的能力。

4 科學性和先進性

和目前市面上多數跟隨機器人相比，該智能跟隨機器人有以下優勢：

（1）采用手機作為跟蹤設備。這樣既不用在小車上安裝多余的用于圖像識別的裝置，也無需用戶佩戴額外的追蹤設備，下載安裝一個APP即可將用戶的手機用于引導機器人跟隨用戶。

（2）由APP處理數據。小車不再決定如何跟隨被跟隨者，而交由手機APP去處理并發送指令給小車，小車只需執行APP傳遞的指令即可，大幅度降低了小車的設計難度和制造成本。

其技術關鍵在于Arduino主板驅動小車編程、Arduino多線程處理方案設計、傳感器數據獲取與處理和移動方向算法設計。主要技術指標包括同步跟隨延遲時間、傳感器數據采集頻率和信息同步出錯率。

可作為一種新型玩具，主要適用于擁有兒童的家庭、兒童樂園等使用，若對其進行一定的改造也可用于跟隨錄像等。

5 總結與展望

由于時間和能力有限，本課題設計的跟隨機器人功能暫不完善，還無法達到作為陪伴機器人的目標。而由于新的引導方法的改進，其制作成本很低，具有很高的性價比，適用于家庭、孩童樂園等。針對最終目標，在此提出今后的努力方向：

（1）逐步擴展更多的功能，如視頻對話、視頻錄制、兒童監護等，并對其外觀有更高的要求。

（2）嘗試將其與人工智能聯系起來，讓其自主學習規避障礙、適應各種復雜路況等。

（3）對跟隨響應速度以及運動精確度方面還需要進行改進。

本課題完成了對智能跟隨機器人的設計，并驗證了系統的可行性。基本實現了降低其設計難度、制造成本和使用難度的目的，提高了在同類型產品中的競爭力，相信在不久的將來，隨著對其不斷地完善，該智能跟隨機器人會達到一個更高的水平。

參考文獻

[1]徐國華，譚明.移動機器人的發展現狀及其趨勢[J].機器人技術與應用，2001（3）：5-15

[2]朱金成.自主跟隨機器人系統研究與實現[D].杭州：杭州電子科技大學，2014：1-70

[3]顧超.一種自主跟隨機器人的研究與設計[D].南京：東南大學，2016：1-45

[4]陳璐寒，張鵬，宋成.一種智能跟隨機器人[J].通訊世界，2016（11）

[5]張亞東，葛鎖良.基于單片機的多功能智能機器人設計[J].通信技術，2012（1）：96-134

[6]湯莉莉，黃偉.基于Android手機藍牙控制的智能小車設計[J].現代電子技術，2016（5）：132-134

[7]任博雅，趙白鴿.基于ZigBee網絡和超聲定位的智能跟隨小車[J].計算機測量與控制，2015（5）：1789-1798endprint