基于手持設備的智能球研究與設計

傅胤榮

（韓山師范學院 廣東 潮州 521041）

0 引言

球形運動裝置是最近十幾年出現的一種新型移動結構形式，它的典型特征是具有一個球形外殼且將其運動機構、控制系統、電源等都包含在球形外殼的內部，通過重心偏移、動量守恒等內部驅動方式實現可控運動。球形運動裝置具有良好的動靜態穩定性和運動靈活性，能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內運動，即使與其他物體發生碰撞或跌落，也可以自動恢復穩定狀態，不會像輪式、足式、履帶式等傳統移動裝置那樣發生“翻車”問題，因此在復雜未知環境中應用優勢顯著。

1 相關工作

一般認為第一個真正的球形運動裝置是由Halme等人于1996年設計完成的，這個球形裝置利用一個可在球殼內滾動的帶有支撐桿的內驅動機構打破系統的平衡，實現裝置的全向運動[1]。Halme等人分析了該裝置的越障、爬坡等運動性能，但這個球形運動裝置的運動可控性與穩定性較差。Bicchi等設計的球形運動裝置是放置一輛雙輪小車于空球殼中，利用小車運動打破裝置內部的平衡從而使裝置運動，他們只做了簡單的仿真，沒有實驗結果。Bhattacharya等設計了一個具有對稱結構的球形運動裝置，與球殼相連接的兩個相互垂直的電機驅動轉子高速旋轉，由于角動量守恒導致球殼反向轉動，由此產生裝置的運動，仿真和實驗結果表明該球形裝置的運動精度比較差[2]。Mukherjee等提出了一種球形運動裝置的概念設計，其內部從球心位置伸出4根輻條，盤式電機控制重物沿著輻條運動改變球的重心，實現球形運動裝置的全方位運動，球殼內部的支撐腿和攝像機可從球殼內伸出，完成戰場偵察、環境探測等任務[3]。Javadi等設計的球形運動裝置也是通過調整4根輻條上的配重來改變球形運動裝置的重心，但輻條的布置方式不同，他們只在很小的運動范圍內進行了仿真和實驗[4]。2004年瑞典的Rotundus公司推出了用于軍事偵察與監視用的Rotundus系列球形運動裝置。Rotundus的內部設有一根中軸，中軸上懸掛一個擺塊，在電機的驅動下，擺塊向前（或向后）擺動時球形運動裝置滾動前進（或后退），擺塊向側方移動時則進行轉向[5]。Rotundus內部可安裝相機、無線電通信設備等部件，可在一定距離范圍內為使用人員采集和傳輸特定區域的信息。孫漢旭等設計了一個類似萬向節結構的全方位運動球形裝置，通過兩個垂直軸上布置的電機調整配重位置的方式來實現球形裝置的全方位運動。戰強等設計了兩種不同結構的、直線運動與轉彎運動解耦的球形運動裝置，通過兩個電機分別驅動重物實現重心偏移，使球形運動裝置實現直線和轉彎運動[6]。

2 智能球控制系統

智能球控制系統是基于Android和藍牙功能的手機終端進行通信，手機終端安裝了應用控制軟件，可以進行數據傳輸。利用手機藍牙遙控智能球的行走，以藍牙手機作為客戶端，智能球上的藍牙模塊作為服務端，通過串口仿真協議進行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩定性能好、擴展容易等優點。實現了智能球的前行、倒退、左轉、右轉和停止等功能，將手機變身為遙控器，為人們的帶來方便。

2.1 手機客戶端設計

手機客戶端設計采用的是Eclipse開發環境，Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發平臺，還需要為Eclipse安裝一個開發J2ME程序的EclipseMe插件，為了在電腦上方便模擬自己開發的程序，還需要安裝無線開發工具WKT。

2.1.1 初始化本地藍牙

初始化本地藍牙設備，建立LocalDevice類，包括取得本地設備實例、藍牙名稱、設置發現模式、獲得發現代理。

2.1.2 搜索藍牙設備

搜索周圍藍牙設備，每發現一個設備就調用監控接口deviceDiscovered()，在這個接口中添加自己的代碼，把搜索到的設備記錄在List列表中，搜索設備完成調用接口inquiryCompleted()。完成搜索后，把搜索到的所有設備顯示出來。

2.1.3 搜索藍牙服務

在識別列表List中，選擇一個需要的設備，開始搜索服務，發現服務時自動調用接口servicesDiscovered()，并把服務記錄在serviceRecord，服務搜索完成調用接口serviceSearch-Completed()。

2.1.4 建立連接

根據上一步搜索到服務記錄serviceRecord，建立連接要獲得URL，調用接口函數serviceRecord.getConnectionURL()，打開連接Connector.open(url)，并打開數據流openDataInput-Stream()和openDataOutputStream()，就可接收和發送數據。

2.1.5 監聽鍵盤事件

由Canvas類監聽按鍵事件，當有按鍵按下時，自動調用keyPressed()，并傳入按鍵編碼，發出控制信號，控制智能球的運動。

2.2 智能球服務端設計

智能球服務端的設計包括：藍牙串口通信設計、單片機編程設計、電源電路設計和直流電機驅動設計。下面介紹藍牙串口通信設計和單片機編程設計。

2.2.1 串口通信設計

藍牙模塊與單片機之間的通信使用虛擬串口實現的，串口為標準配置：波特率9600、檢驗位NONE、數據位8位、停止位1位。中斷接收函數只要是負責接受藍牙發送過來的數據。

2.2.2 單片機編程設計

由于無線接收器和單片機通信的方式是串口，為了是智能球能迅速響應上位機發送來的信號，單片機使用串口中斷的方式，在main函數里面主要就是處理中斷接收到的數據，并控制電機的轉動。

3 智能球運動系統

智能球三維實體模型如圖1所示。該智能球基于重心偏移的原理實現可控運動，其內部結構主要包括小車、電機、中空軸、重塊和攝像頭。其結構關系為:中空軸通過兩端的兩個滾動軸承連接在球殼上，并作為支架安裝其他4個部件。小車固定在中空軸上，其兩個車輪與球殼呈滾動摩擦接觸；驅動重塊的電機也固定在中空軸上，其輸出軸端固定連桿，連桿的末端固定有重塊，當電機旋轉時可驅動重塊繞電機軸左右擺動；就動力學控制來講，智能球的運動學控制具有計算量少、實時性好等優點，但也存在動態特性得不到保證的缺點。采用旋量理論可推導其速度雅可比矩陣實現其速度級運動學逆解，利用可控性李代數證明該球形智能球系統是可控的。

智能球的運動原理是：小車沿球殼內壁爬升帶動內部機構轉過一個角度，使智能球整體產生重心偏移，從而驅動智能球進行直線運動。當重心偏移力矩和滾動摩擦力矩平衡時，智能球勻速前進，此時內部驅動機構與地面保持一個恒定的角度。智能球的轉彎運動是通過電機驅動重塊在垂直于直線運動方向上擺動來實現的。當電機驅動重塊轉過一個角度時，會產生一個側向偏心力矩，使球傾斜一個角度，此時與直線運動相組合即可形成智能球的轉彎運動。

圖1 智能球結構

4 實驗分析

為了驗證結構設計的合理性及速度逆解的正確性，對智能球進行了圓形軌跡運動實驗，該智能球的直徑為200mm。實驗過程中利用單目CCD攝像機拍攝球形智能球的位置圖像，并通過視覺處理手段獲得其型心位置，然后將實驗測得的運動軌跡數據與理論數據進行比較。圓形軌跡運動實驗方法是以不同的轉彎半徑進行圓形軌跡運動，考察其圓形軌跡運動的穩定性和最小轉彎半徑。實驗中智能球運行軌跡直徑為1.6m，運行過程中智能球偏移理想軌跡的最大誤差約為0.05m，這是由于地面不平所導致的。實驗結果證明了智能球可以實現圓周運動，智能球的圓形軌跡運動誤差在軌跡直徑長度的5%以內。

5 結論

本文根據球形運動裝置控制的特點，通過實驗發現當對智能球采用開環控制時，由于系統的實際運行軌跡無法測量，而只能通過積分的方式獲得，因此當受到外界干擾時，智能球的運動軌跡會受到較大的影響。為了使球形智能球以較高的精度運動，對其進行包括動力學在內的閉環控制系統，有效地對智能球進行運動構件的速度、加速度或位置的控制，并把智能球與手持設備藍牙遙控技術整合為一體化智能球形運動裝置。

［1］Halme A ，Schonberg T ，Wang Y.Motion cont rol of a spherical mobile robot[C]//4t h IEEE International Work2 shop on Advanced Motion Cont rol AMC’96，1996：100-106.

［2］Bicchi A ，Balluch A，Prattichizzo D，et al.Int roducing t he“SPHERICL E”： an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy [C]//Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Au2tomation，1995：2620-2625.

［3］Bhattacharya S， Agrawal S K.Design ， experiments and motion planning of a spherical rolling robot[C]//Proceed2 ings of t he 2000 IEEE International Conference on Robot2ics& Automation，2000：1207-1212.

［4］Mukherjee R，Minor M A ， Pukrushpan J T.Simple mo2 tion planning strategies for spherobot：a spherical mobile robot[C]//Proceedings of IEEE International Conferenceon Decision and Cont rol，1999：2132-2137.

［5］Javadi A A H，Mojabi P.Int roducing august:a novelst rategy for an omnidirectional spherical rolling robot[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation，2002：3527-3533.