支持藍牙通信的智能昆蟲機器人的設計研究

姚金 馮靜 孫家興 張曉斐 尤忍堂

摘要：為了提高機器人在復雜多變環境中進行作業的能力，設計了一個支持藍牙通信的智能昆蟲機器人控制系統。實現了基于GP2YOA21距離傳感器的自動避障，Android移動控制系統與Risym HC-05藍牙模塊的無線通信與遠程控制，并通過紅外通信、TTL串口語音與蜂鳴器模塊來實現機器人之間的協作通信、交互、警示等功能。解決了機器人在實際作業中所遇到的避障、集群交互通信、智能提示等問題，有效的實現了對昆蟲機器人實時無線遠程控制。因此，本文針對支持藍牙通信的智能昆蟲機器人的設計給出了詳細分析。

關鍵詞：藍牙通信;智能昆蟲機器人;設計

由于地球上環境的惡化，自然災害頻繁發生，因此需要能夠適應復雜、惡劣、危險環境的高度自動化裝備來進行作業，保障相關人員的生命安全，提高救援效率與作業能力。而仿生學正是通過研究生物系統的結構、形狀、原理、行為以及相互作用，從自然界來獲取設計研究的靈感，設計出同時兼具機器與生物共同優點的機器設備。這些機器設備在軍事、救災等方面有著諸多用途;譬如在軍事行動中進行攻擊、排雷等危險作業，在救災時進入危險環境對人員進行搜救以及物資的運輸等;另外，在人類進行太空探索、星球探測和深海探測等未知環境的探索時也發揮著不可替代的作用。其中，智能昆蟲機器人的設計研究主要涉及到嵌入式、藍牙通信、傳感器、數字電子與模擬電子等技術。

1.總體架構

隨著近年來電子技術與計算機技術等學科的飛速發展，嵌入式技術作為一門綜合交叉性技術，也得到了長足的進步。嵌入式系統作為一種能夠執行特定功能、軟硬件可裁剪的應用型系統，能夠適應應用系統對于功耗、成本、可靠性等方面的嚴格要求，所以在近年來取得了極大的發展。作為嵌入式系統的一種典型應用，目前普遍使用的移動端設備—智能手機也屬于嵌入式設備的范疇。通過移動端嵌入式設備作為控制終端，對具有專用功能的嵌入式應用產品進行遠程便捷控制，誕生了許多現代化產品，大大地方便了人們的生活與工作。

根據智能昆蟲機器人的主要功能需求，設計了如圖1所示的硬件總體架構。

其中，通過Risym HC-05無線藍牙模塊來實現藍牙通信，該模塊負責與手機控制端APP進行通信，接收APP發來的指令請求，轉交給ATmega328微處理器執行。GP2YOA21距離傳感器實時監測機器人周邊環境中障礙物信息，并將所獲取的傳感器數據發送給ATmega328微處理器進行處理。電源模塊負責為機器人整體供電[1]。串口調試模塊負責與PC機連接進行固件的燒寫以及相關調試工作。系統中共集成了3個微型伺服電機，為機器人行走提供動力。紅外通信模塊實現了收、發兩部分功能，為機器人之間的協作通信提供支持。蜂鳴器模塊用于機器人遇到障礙或者緊急狀況時的警報提示。TTL串口語音模塊用于向用戶進行語音提示以及語音交互。信號燈模塊對電源狀態、藍牙連接狀態和數據傳輸狀態進行提示。

2.核心模塊設計

2.1主控模塊

主控模塊的核心即ATmega328微控制器，系統時鐘頻率為16 MHz，正常工作電壓為直流5V，主控模塊包含有4個數字輸入口，4個模擬輸入口，兩個PWM口，1組UART端口，1組I2C端口，1個Micro USB接口，2組電源端口。

2.2硬件接口設計

為了實現機器人所需功能，基于結構與功能模塊設計，需要對硬件主控板接口進行具體定義。ICSP接口（ICSP-in circuit serial programmable），又叫在線串口編程，其本質是一種在線燒寫程序的方式，主要功能是將用戶代碼編譯并燒寫到微處理器ROM中[2]。

2.3通信協議

機器人與移動端之間的通信采用藍牙通信，藍牙協議的體系結構自下而上可分為3個部分：硬件層、協議層、應用層。其中，硬件層主要包括鏈路管理層（LM）、基帶層（BB）和射頻層（RF）。協議層包括邏輯鏈路控制與適配協議（L2CAP）和電話通信協議（TCS）。

移動端與機器人之間的藍牙Socket通信流程如圖2所示。

與常用的Socket套接字通信模式類似，Bluetooth Socket通信中由Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket分別充當客戶端和服務器。首先由服務器端Bluetooth Server Socket對象創建一個Bluetooth Socket對象，調用Bluetooth Server Socket的Accept（）來獲取，而客戶端則通過調用Bluetooth Device的create Rf comm Socket To Service Record（）來獲取;在服務器啟動服務之后，accept（）進行阻塞，直到客戶端Connect（）成功連接服務器，服務器將Bluetooth Socket對象返回給客戶端，建立連接后，服務器和客戶端的Bluetooth Socket對象能夠獲取到輸入輸出流，從而進行下一步的通信。

3.系統實現

本設計中移動端APP界面，根據藍牙連接流程依次進行藍牙的連接與通信測試。首先打開藍牙，通過搜索設備搜索機器人中集成的藍牙模塊進行配對，配對成功之后通過CONNECT建立連接，連接建立之后即可通過控制按鈕控制機器人行動。

昆蟲機器人移動端控制測試結束后，對昆蟲機器人進行了自動避障測試，測試結果證明機器人能夠在多種不規則地形中行動，并在合理范圍內對所遇障礙進行自動規避。另外，通過多個機器人之間的聯合測試，驗證了機器人之間進行紅外集群通信的有效性，并利用特定機器人對智能語音提示與蜂鳴器警告功能進行了測試，結果證明了TTL串口語音模塊的有效性。

4.結束語

本文就智能昆蟲機器人的工作原理與相關技術進行了研究分析，并深入探究了該類型機器人在實際應用中所具有的優勢與具體適用場景。基于以上研究分析，對昆蟲機器人的總體架構、核心模塊、系統實現提出了具體的解決方案，可以實現自動避障、遠程控制、集群通信交互、智能提示等功能，并通過在實際運行環境中測試進行了驗證。

參考文獻

[1]楊澤平，文賡，蔡妤婕，馬佳敏，饒婷霜，郭夢潔.支持藍牙通信的智能昆蟲機器人的設計與實現[J].實驗室研究與探索，2018，37（02）：93-97.

[2]楊澤平，文賡，馬佳敏，蔡妤婕，饒婷霜，郭夢潔.智能昆蟲機器人與移動設備交互通信的設計與實現[J].物聯網技術，2017，7（08）：41-43.