基于 Arduino 的雙運(yùn)動模式機(jī)器人設(shè)計

列浩楊 陳銀燕 洪曉蘭 黃一雄 鄭燦周 鄭譽(yù)煌

摘 要：設(shè)計了一款藍(lán)牙控制的可以在復(fù)雜環(huán)境中行進(jìn)的雙運(yùn)動模式的機(jī)器人。該機(jī)器人基于Arduino平臺，采用超聲波避障，有足式和輪式兩種運(yùn)動模式，分別由四組舵機(jī)控制的機(jī)械腿和兩個直流電機(jī)控制的小輪及萬向輪組成。根據(jù)地形和實(shí)際需要使用藍(lán)牙切換運(yùn)動模式和選擇自動運(yùn)行還是手動操作，提高了機(jī)器人的靈活性。

關(guān)鍵詞：Arduino；移動機(jī)器人；雙運(yùn)動模式；超聲波避障；雙操作模式；藍(lán)牙控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.139

1 引言

現(xiàn)有的地面移動機(jī)器人較多采用三輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不能很好地適應(yīng)運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)和危險行動等復(fù)雜的非平面環(huán)境。同樣，采用四足行走的移動機(jī)器人也有運(yùn)動速度低的劣勢。為滿足市場對機(jī)器人靈活性的更高要求，多運(yùn)動方式的機(jī)器人研究也就更有必要，使其能在不同的場景中應(yīng)用合適的運(yùn)動方式。本文結(jié)合輪式的快速運(yùn)動和足式的靈活運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一款雙運(yùn)動模式的智能機(jī)器人。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制中心由Arduino Mega2560及Mega2560 R3擴(kuò)展板組成。Arduino具有價格便宜，庫函數(shù)豐富等特點(diǎn)，它的電子電路和底層驅(qū)動庫都被打包集成，進(jìn)而省略掉了大部分與電路和硬件驅(qū)動相關(guān)的操作，最終只剩下簡單的控制邏輯，因此人們只要懂得一些簡單的邏輯關(guān)系便可以將它很好地應(yīng)用。

Mega2560同時具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，可以對各種信號進(jìn)行采集分析并做出反應(yīng)，同時可接入各種外設(shè)完成一系列復(fù)雜的功能。特別適合本文機(jī)器人所需要的對電機(jī)、舵機(jī)、藍(lán)牙模塊、超聲波傳感器的工作運(yùn)行的負(fù)責(zé)控制。

2.2 傳感器模塊

US-100超聲波測距模塊相比紅外傳感器，其測距原理相對簡單，通過測算發(fā)出超聲波到接收回波的時間以及接收超聲波的強(qiáng)弱，可以對障礙物距離及其表面物理形態(tài)進(jìn)行判斷。US-100超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm-4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4-5.5V寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)的功能，此模塊受環(huán)境影響相對較小，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，適應(yīng)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠。因此在本設(shè)計中采用此模塊來實(shí)現(xiàn)測距避障的功能。

2.3 動力模塊

本文機(jī)器人分兩種動力體系。

當(dāng)采用輪式運(yùn)動模式的時候，足部的舵機(jī)將抬起到設(shè)定位置，三個輪子著地，保證機(jī)器人穩(wěn)定不倒。其中后面兩個輪子為動力輪，前面輪子為輔助支撐的萬向輪。為了使整機(jī)重量輕便以及低功耗，兩個后輪均采用了33直流減速電機(jī)，單個電機(jī)重量為100g，空載速度達(dá)到200RPM，產(chǎn)生的力矩足以帶動整個機(jī)器人，通過差速控制程序使兩個動力輪獨(dú)立受控產(chǎn)生一定的速度差，便能達(dá)到轉(zhuǎn)向避障的效果，如圖2所示。同時輪式運(yùn)動模式以總?cè)萘繛?000mAh的2節(jié)18650電池為動力來源，保證機(jī)器人輪式行進(jìn)的續(xù)航時間。

當(dāng)采用足式運(yùn)動模式的時候，足部舵機(jī)將全部豎直到設(shè)定位置，這時三個輪子將被架起，四足著地。通過執(zhí)行設(shè)計好的步態(tài)順序所對應(yīng)的程序來進(jìn)行足式運(yùn)動。效果如圖3所示。此動力體系同樣以總?cè)萘繛?000mAh的2節(jié)18650電池為動力來源，經(jīng)過Mega2560擴(kuò)展板的降壓模塊得到合適的電壓來給多組舵機(jī)提供動力。

2.4 驅(qū)動模塊（電機(jī)、舵機(jī)）

驅(qū)動模塊是機(jī)器人正常工作所不可或缺的一部分。

本文機(jī)器人在電機(jī)驅(qū)動這部分所使用的是雙L9110S芯片的電機(jī)驅(qū)動模塊，芯片占用體積小，適合用作組裝機(jī)器，可以同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)，既節(jié)省空間也減輕機(jī)器人的重量。L9110S芯片具有良好的抗干擾性、較大的電流驅(qū)動能力、較低的輸出飽和壓降，從而使其在直流電機(jī)的使用上安全可靠。

舵機(jī)直接通過Mega2560開發(fā)板上的PWM輸出受控，結(jié)合Mega2560 R3擴(kuò)展板上的擴(kuò)展插口，能很好地整理雜亂的舵機(jī)電源線與信號線。

2.5 無線控制模塊

無線控制主要有Wifi控制、藍(lán)牙控制和紅外控制，Wifi成本高、帶寬大、待機(jī)功耗大、需單獨(dú)網(wǎng)卡；藍(lán)牙低延時、低功率、傳輸距離短、可用電池供電、抗干擾能力強(qiáng)、可繞行遙控；紅外遙控期間不能有物品阻隔、抗干擾能力差、只能用于兩臺設(shè)備之間的連接。三者相比較而言，藍(lán)牙更適合小機(jī)器人的遙控，而且可以用手機(jī)下載相應(yīng)的藍(lán)牙串口助手APP與藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接通訊。在網(wǎng)絡(luò)不好時，方便眾多產(chǎn)品進(jìn)行無線遙控，無需擔(dān)憂是否有公用網(wǎng)絡(luò)或物體阻隔，極大程度地方便了機(jī)器人操作者。

當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸，可以更好地控制機(jī)器人切換合適的運(yùn)動模式（輪式或足式）以及操作模式（自動或手動），讓機(jī)器人能夠以較高效率到達(dá)目的地。作為一款高性能主從一體的HC-05藍(lán)牙模塊，具有低耗、適用于多種系統(tǒng)、可以與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行無縫連接、工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，滿足本機(jī)器人的設(shè)計需要。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

機(jī)器人上電后，各舵機(jī)轉(zhuǎn)動到初始設(shè)定位置，機(jī)器人呈蜷縮狀，只留下三個輪子著地，等待手機(jī)端傳來藍(lán)牙選擇控制信號。機(jī)器人的運(yùn)行程序框圖設(shè)計如下圖所示：

3.1 操作模式

操作模式分自動和手動。當(dāng)選定任意一種運(yùn)動模式后，將進(jìn)行自動和手動操作模式的選擇。若選擇自動，則機(jī)器人將啟動超聲波模塊，按照圖4所示的流程圖來運(yùn)作。若選擇手動，則機(jī)器人不啟動超聲波模塊，由手機(jī)端發(fā)送藍(lán)牙信號實(shí)現(xiàn)手動控制。

3.2 障礙物檢測方式

本文機(jī)器人通過US-100 超聲波模塊來檢測障礙物距離，從而進(jìn)行障礙物檢測避障（注意：此超聲波模塊僅在自動操作模式下才會開啟）。US-100 超聲波模塊具有兩種觸發(fā)模式，在本文機(jī)器人設(shè)計中選擇了更為合適的電平觸發(fā)模式。在一段大于 10us 的高電平輸入后，超聲波模塊的發(fā)射探頭循環(huán)發(fā)出 8 個 40KHZ 的超聲波脈沖，傳感器發(fā)射探頭啟動并發(fā)送超聲波脈沖，然后接收探頭進(jìn)入回波檢測狀態(tài)，在接收探頭檢測到回波信號后，結(jié)合溫度補(bǔ)償計算測距結(jié)果。最后經(jīng)過系統(tǒng)程序分析檢測到的多個距離信息，執(zhí)行相對應(yīng)的避障操作。

3.3 避障方式

本文機(jī)器人的避障方式與超聲波在一定距離探測到的障礙物位置和距離有關(guān)系，也與機(jī)器人的運(yùn)動模式有關(guān)系。

結(jié)合本文機(jī)器人分兩種情況：

（1）當(dāng)機(jī)器人選擇足式運(yùn)動模式，并且選擇自動操作模式的時候，機(jī)器人以四足姿態(tài)前進(jìn)，同時位于頭部舵機(jī)位置的超聲波傳感器將一直讀取分析正前方的距離信息。當(dāng)正前方檢測到前方距離障礙物過近的時候，機(jī)器人立馬停止前進(jìn)，頭部舵機(jī)轉(zhuǎn)動讀取左右45°方向的兩個距離，將讀取到距離信息進(jìn)行分析判斷，最終將會有如下的反應(yīng)動作：

①在左邊障礙物距離比右邊遠(yuǎn)的時候，判斷到左邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足左轉(zhuǎn)直行程序。若判斷到左邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；

②當(dāng)左右兩邊障礙物距離相等的時候，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；

③在右邊障礙物距離比左邊遠(yuǎn)的時候，判斷到右邊障礙物距離大于安全距離，則執(zhí)行四足右轉(zhuǎn)直行程序。若判斷到右邊障礙物距離小于安全距離，則后退20cm再次讀取左右兩個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

（2）同樣地，當(dāng)機(jī)器人選擇輪式運(yùn)動模式，并且選擇自動操作模式的時候，機(jī)器人以輪式姿態(tài)前進(jìn)，與足式不一樣的是輪式的行進(jìn)方式與轉(zhuǎn)彎方式，其他部分與足式的避障方式一樣。

4 結(jié)束語

多運(yùn)動模式機(jī)器人集合機(jī)械制造、電機(jī)控制、傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制等多種先進(jìn)技術(shù)，其制作目的終歸是方便人類的勞動生產(chǎn)和進(jìn)行未知探索，隨著各種高精尖技術(shù)的發(fā)展（如人工智能，機(jī)器視覺，深度學(xué)習(xí)等），使得搭載上這些技術(shù)的機(jī)器人功能更加強(qiáng)大。本文提供一種藍(lán)牙控制的地形適應(yīng)能力強(qiáng)與整體運(yùn)動性能佳的雙運(yùn)動模式機(jī)器人設(shè)計，其使用范圍廣泛，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種功能打下基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目： 2018年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（編號：201814278004）；2017年廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項(xiàng)目（編號：2017192201）；2018年度電子信息工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范基地項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2018sfjd02）

作者簡介：列浩楊（1997-），男，廣東廣州人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。