基于單片機的無線遙控移動機器人設計

包志家

摘要：在這個智能化時代背景下，為了能夠更好地發揮出機器人的價值，文章主要設計了一個多功能的履帶式機器人，其是將手持移動設備作為主要控制端，控制方式采用分布式控制，而在這一整個系統當中，單片機屬于核心，并且還擁有較多的功能模塊，上位機軟件則主要是在嵌入式Linux下運行，而對于移動手持設備和機器人之間的信息交互，則主要是利用了WiFi傳輸技術。通過這_系統，操作人員在實際使用過程中能有效地利用無線遠程對機器人移動情況進行監控，更好地保障機器人應用的效果。

關鍵詞：單片機；無線遙控；移動機器人

在社會不斷發展過程中，對于機器人的研究也是越發地頻繁，就目前機器人設計工作來看，無線遠程控制移動屬于設計研究熱點之一，因為這一項設計和研究能夠代替我們完成一些較為危險的行動，又或者是在一些較為惡劣的環境下工作。而在無線傳輸過程中，目前應用較為普遍的就屬于WiFi技術，這一項技術在應用過程中傳輸距離較長，并且網絡也十分地穩定可靠，目前也成為人們生活以及工作中不可缺少的一項技術。本文在設計研究過程中，其核心主要是單片機，之后在履帶式小車基礎上加上六自由度機械臂、風扇、攝像頭等功能模塊，最后利用WiFi傳輸技術來對機器人進行控制和監控，并且設計出了一個基于單片機的無線遙控移動機器人，希望能夠將其有效地應用到各個領域當中。

1 機器人硬件組成

在對機器人進行設計的過程中，本系統中主要是基于單片機來進行設計，設計過程中控制終端主要是使用了手持移動設備，WiFi這一技術的作用則是對控制對象進行遙控，以此來設計出了一個履帶式機器人。該機器人在控制過程中，要想實現控制這一目的，其主要是在控制過程中采用了分布式控制，核心則是STC89S52單片機，其次則包括了以下幾個功能模塊：小車電機驅動模塊、滅火模塊、機械臂模塊、電磁炮模塊、集成電源供電模塊、通信接口模塊、WiFi模塊、攝像頭模塊等。在整個系統當中，單片機主要的作用就是接收傳感器的反饋信號，然后通過WiFi將所收到的信號傳輸到手持移動設備當中，操作人員則主要是利用手持移動設備來對其進行遠程控制，同時以此來作出相應的決策，在這一過程中，其在手持移動設備中所獲得的指令還可以經過單片機傳輸到各個功能模塊當中，從而就能確保機器人能夠完成相關任務要求。

1.1小車電機驅動模塊

在小車電機驅動模塊當中，主要為其配置了2個直流電機，因為驅動小車電機本身需求功率較大，所以單片機在發出脈沖寬度調制（ Pulse Width Modulation，PWM）信號的過程中，還需要添加L298N驅動電路，這樣才能對小車實際情況進行有效的控制和把握。

1.2電源供電模塊

在對電源供電模塊進行設計的過程中，因為驅動小車電機這一模塊本身所需要的電流以及電壓等方面都明顯比單片機芯片需求要大很多，在這種情況下，本系統在實際設計過程中，其電源供電方式主要是采用了雙電源供電的方式。其中，小車電機供電電源主要是7.4 V電源，8 000 mAh屬于其電池容量，而單片機在實際供電過程中則主要是使用了5V電源，2 000 mAh屬于其電池容量[1]。

1.3滅火模塊

這一模塊在實際安裝過程中，主要是安裝在履帶式小車的正前上方，組成部位主要包括了風扇、火焰傳感器以及馬達，其中，光敏電阻屬于火焰傳感器的核心，一旦光敏電阻在收到火焰發出的近紅外波長之后，就會立馬出現高電平輸出現象，同時還會將所獲得的滅火信號反饋給單片機，而單片機就可以將這一信號傳輸給馬達，最終就能帶動風扇使其高速旋轉吹滅火源。

1.4機械臂模塊

在這一模塊當中，手腕、底座、手指以及手臂屬于其重要組成部分，在這4個組成部分當中，只有手臂存在3個舵機驅動，而另外3個組成部分都只是存在一個舵機。微型伺服直流電機就是舵機，其在實際應用過程中能夠左右旋轉180。，機端首末端2個手指還可以在舵機驅動下完成夾取動作。舵機接口主要是紅、黃、黑這三線接口，分別對應著+5 V、控制信號、GND等端。

1.5攝像頭模塊

在無線遠程控制過程中，實時監控屬于最為關鍵的一點，而在本研究設計當中，對于機器人的單目視覺傳感器在實際設計過程中主要是選擇了CMOS圖像傳感器，這一傳感器具備其自身所獨有的優勢，只需要使用一個電源就能將信號直接由光電轉換獲得，無論是獲得還是讀取方面都十分地快捷方便。之后就可以將所獲得的圖像或者是視頻應用WiFi技術傳輸到手持移動設備當中，這樣就能有效地實現實時監控這一目的。

1.6電磁炮模塊

在本研究當中所使用的電磁炮主要是電磁線圈炮，其組成部分主要包括了100 m長合金銅炮管、5個并聯330 μF/450 V電容、LED電容電壓表、2砸銅線圈、可控硅以及DC500升壓器。一旦鋼珠發射電源，就會給環繞炮膛的固定線圈起到供電的作用，并且還會產生相應的移動磁場，從而讓鋼珠內部存在一個感應電流，同時還能生成相應的磁場，產生加速力；最后，在炮管整個長度上所存在的被加速的鋼珠，就可以及時有效地發射出去[2]。

1.7 WiFi模塊以及通信接口

在本研究設計當中，對于信息交互這一功能，主要還是在于手持移動設備和單片機這兩者之間，而這兩者要想實現這一目的，就必然要利用WiFi技術，因為WiFi模塊本身功能就是加載了Openwrt系統的無線路由器，它連接攝像頭，同時還能通過這一模塊來接收控制命令。而單片機在實際應用過程中就能利用通信接口來對小車電機、攝像頭、火焰傳感器等模塊進行控制。

2 機器人軟件設計

2.1控制端軟件設計

在本研究中基于單片機的無線遙控移動機器人設計過程中，對于系統控制端的設計，嵌入式Linux系統的ARM開發板Tiny210屬于其關鍵軟件組成部分。嵌入式Linux本身就屬于一個小型操作系統，在應用過程中具備較為顯著的優勢，其在使用過程中需要的存儲空間也十分小，適合將其用在移植過程。而對于系統中的控制軟件，本研究在實際編寫過程中，所選擇的語言主要是C++，而開發環境則主要是選擇了Ubuntu下的QT Creator；套接字Socket編程則屬于機器人控制軟件，通過這一系列的控制端軟件設計，就能將客戶端和服務器之間的數據有效連接在一起，實現數據通信。在這一過程中，控制端和控制對象這兩者一旦在無線路由器連接過程中屬于同一個，就可以直接在控制軟件當中對IP地址以及控制端口號進行設置，如果控制端和控制端對象能夠成功配對，控制軟件人機交互界面中所存在的Qt Web View這一模塊就會直接接受mjpg流，也就是遠端視頻數據，從而就能有效地實現對移動機器人的實時監控這一目的。

2.2嵌入式程序運行

如果要在ARM板中安裝控制軟件，在此之前一定要已經搭建好嵌入式Linux系統的移植，因為其屬于控制軟件運行環境，只有具備這一項才能有效實現基于單片機的無線遙控移動機器人設計。針對這一點，首先在操作過程中，需要使用到SD-Flasher這一工具，而其主要的作用就是將Superboot燒寫到SD卡之中，在完成燒寫之后，還需要在SD卡當中建立起images文件夾，在建立好之后就可以在這一文件夾當中編寫電容屏的燒寫配置文件，這個時候ARM板，一旦在啟動過程中是以SD卡模式來進行，就可以直接進入USB下載模式，同時連接電腦；此時就可以將之前已經編譯完成的文件系統映像通過友善之臂所開發出的MiniTools拷貝到ARM開發板的NAND Flash之中，之后將開發板重啟，對系統進行安裝。

2.3單片機程序設計

在對STC89S52單片機程序進行編寫的過程中，其開發環境主要就是Keil這一軟件，這一軟件本身和硬件系統存在一定的相似之處，單片機程序中會存在不同功能的一些子程序，比如說滅火、串口中斷、監聽上位機指令等子程序。單片機在上電初始化工作之后，等待接受上位機的16字節數據包主要包括了4字節的類型位、4字節的包頭、8字節的數據位、4字節的結束位。

2.4系統調試

在基于單片機的無線遙控移動機器人設計過程中，對于系統軟硬件的調試工作也是關鍵，而在進行這一項工作的時候，其主要是按照系統分布式控制設計理念來對各個模塊進行一個個聯調，在實際聯調過程中，首先需要對ARM開發板以及單片機是否能夠有效連接到網絡進行檢查，而后需要對ARM開發板的觸摸屏是否能夠準確接收到攝像頭視頻流進行檢查，同時還需要對攝像頭分辨率以及成像情況進行檢查和分析[3]。其次，還需要對調試接收到的不同機器人指令的單片機進行調試，在各功能模塊都調試完成之后，就可以再一次進行整機聯調，從而結束調試工作。

3結語

綜上所述，本文主要對基于單片機的無線遙控移動機器人的設計進行了分析，對機器人硬件以及軟件設計進行了具體的研究，并且主要是基于單片機的無線遙控移動機器人設計，通過一系列的設計也實現了手持移動設備對于履帶式機器人的無線遠程控制以及實時監控，希望能夠為機器人設計作出一定的貢獻，真正提高機器人設計的效果，將其有效地應用在各個領域當中。

[參考文獻]

[1]葉其含，陳勁杰，晏申良，等基于單片機的無線遙控移動機器人[J].信息技術，2016 （2）：170-173.

[2]于惠，王曉飛，盧凱.空間站移動機器人無線控制系統設計[J].實驗室研究與探索，2017（2）：71-75.

[3]趙鑫鵬，程凱，黃澤兵，等基于ZigBee的無線遙控小車的設計與應用[J]電子世界，2017 （5）：151-152