基于Arduino控制的機器寵物狗設計

申耀武

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925）

基于Arduino控制的機器寵物狗設計

申耀武

（廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925）

設計開發了一款利用Arduino控制的機器寵物狗，可以實現根據偵測到的周圍物體情況完成前進、后退、搖頭、轉身等動作，具有一定的實用和參考價值，實驗結果證明，該方案設計有效。

Arduino；紅外線追物平臺；機器寵物狗

0 引言

目前，市場上寵物機器人（狗）售價偏高、互動功能的實用性不高、市場開發不理想，比如Sony的愛寶狗Aibo開發幾年后宣布停產下市。本設計利用Arduino Nano作為控制核心，在ITANKITANK智能型移動平臺的基礎上開發實現，具有電路簡單，控制方案可靠，功能擴展靈活等特點。

1 機器寵物狗的動作原理

機器寵物狗通過紅外線追物平臺來偵測周圍環境中的物體，偵測到側方物體時能夠動態轉動車體并控制自身轉向。偵測到前方物體時，物體移開一段距離后會跟著前進，遠離超過一定距離后會停止，逼近時，寵物狗會后退。

2 硬件設計

機器寵物狗采用I2C總線通信，Arduino控制，利用紅外線追物平臺作為機器寵物狗的頭部，寵物狗身體為移動車體，伺服馬達作為驅動元件，另外使用LCD液晶顯示器來顯示各種信息。

2.1I2C總線

I2C總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，由一條串行數據線SDA和一條串行時鐘線SCL構成的多主機總線，如果兩個或多個主機同時存在時，通過仲裁來防止數據被破壞，即同一時間只有一個裝置擔任Master的主控角色，其余裝置均為I2C Slave角色，并以專屬的I2C Address識別，如圖1所示。I2C通信中，SDA和SCL都是由Master控制的，SDA和SCL已經通過上拉電阻被上拉，Master可以控制（拉低或者釋放）這兩條線，而Slaver只能控制SDA線。當master發送數據時，Master會適時地將SDA和SCL拉低或釋放（拉高）。本設計采用ArduinoNano板擔任Mas ter主控角色，以旗標科技公司開發的ITANK智能型移動平臺作為I2C Slaver角色。

圖1　I2C總線Fig.1 I2C Bus

2.2Arduino Nano板

“Arduino”源自11世紀北意大利國王的名字。這個開放原始碼的軟硬件平臺最早由Massimo Banzi、David Cuartielles、David Mellis和Nicholas Zambetti等人開始，目前已發展出許多不同的版本，鑒于它的高開發性、低入門門檻、價格便宜等優勢，目前已經累積了很多忠實的使用者。

Arduino硬件種類比較多，本設計采用Arduino Nano板，核心為ATMEGA328，封裝形式為TQFP32，其外形如圖2所示。

圖2　Ardunio Nano板Fig.2 Ardunio Nano Board

2.3紅外線追物平臺

紅外線追物平臺如圖3所示，用來偵測周圍物體，以連續2bytes來表示追蹤結果，其中包括一個方位參數與一個距離百分比參數。

圖3　紅外線追物平臺Fig.3 Infrared tracing platform

低位byte為方位參數，以bit0～bit3來表示所追蹤物體位于模塊前方九宮格內的方向，有效方向分為1～9共9區，0表示無效方向（沒有追蹤到障礙物）。bit4來代表距離范圍。

高位byte則為一個0～100的數字，當追蹤物體出現在有效范圍之內時，可用來表示有效追蹤范圍內的距離百分比，否則其值為0。其分割方法是將最近安全距離與最遠有效距離之間分為100等份，以最近安全距離為0%，并以最遠有效距離為100%。

2.4伺服馬達

本設計用到4個伺服馬達，分別用來控制機器寵物狗的紅外線追物平臺左右、上下動作以及自身車體的前后移動和轉動。

采用DGServo伺服馬達，編號為S3003，伺服馬達的驅動信號是利用PWM（Pulse Width Modulation；脈沖寬度調制），也就是利用周期約為20～30ms，脈沖寬度為0.8～2.2ms脈沖信號，來控制R/C伺服馬達的轉角，當伺服馬達收到這種PWM的脈沖信號時，會根據脈沖寬度的大小，選擇順時針轉動或逆時針轉動，以及改變轉動的角度及轉動的速度，PWM波形如圖4所示。

圖4　PWM波形Fig.4 PWM wave

2.5LCD液晶顯示器

LCD液晶顯示器如圖5所示，其作用是用來顯示初始信息、機器寵物狗模式（靜止或追物移動）、追物平臺方位與百分距離、水平角度等信息。

圖5　LCD液晶顯示器Fig.5 LCD liquid crystal display

3 程序設計

3.1I/O接口說明

Bit0～3為物體出現在九宮格內的區域編號，1、2、3表示上方有物體，3、4、5表示右方有物體，5、6、7表示下方有物體，1、8、7表示左方有物體，編號如圖6所示。

圖6　區域編號Fig.6 Area number

Bit4為物體是否越過最近安全距離（即進入危險區域），物體進入危險區域時Bit4=1，物體在安全距離時Bit4= 0，如圖7所示，其中，追蹤范圍是指追蹤到的物體在追蹤范圍內的百分比位置。

圖7　物體距離Fig.7 Object distance

3.2程序控制邏輯

（1）依照百分比位置前進后退。物體逼近追物平臺距離20%以內，機器寵物狗后退；距離超過20%，減速，后退距離超過35%，靜止不動，物體距離超過65%，開始啟動，物體距離超過80%，前進追物，距離超過100%以外，靜止不動，如圖8所示。

圖8　物體距離Fig.8 Object distance

（2）依照角度調整水平轉向。如圖9所示，檢測到右邊有物體時，如果追物平臺水平角度在90°～105°之間時，平臺水平向右轉；超過105°時，車體向右轉；檢測到左邊有物體，且平臺水平角度在75°～90°之間時，平臺水平向左轉；小于75°時，車體向左轉。

圖9　調整水平轉向Fig.9 Adjust the level of the steering

（3）依照角度調整垂直轉向。如圖10所示，檢測到上方有物體時，追物平臺垂直向上轉，最大轉動到150°；檢測到下方有物體時向下轉，最小轉動到0°。

圖10　調整垂直轉向Fig.10 Adjust the vertical shift

3.3程序流程圖

程序流程如圖11所示。按下啟動按鈕，寵物狗啟動，按下停止按鈕，寵物狗停止，沒有偵測到附近有物體存在，寵物狗靜止不動，處于等待狀態。

圖11　程序流程圖Fig.11 The program flow chart

S_to_W：按下啟動按鈕，寵物狗從停止（STOP）進入等待狀態（WAIT）。W_to_S：按下停止按鈕，寵物狗停止。R_to_F/W_to_F/L_to_F：有物體在距離80%位置以外，前進。W_to_R/F_to_R/B_to_R：偵測到物體且追物平臺水平角度超過105°，向右轉。W_to_L/ F_to_L/B_to_L：偵測到物體且且追物平臺水平角度小于75°，向左轉。W_to_B/R_to_B/L_to_B：物體逼近到距離20%以內，后退。F_to_W/B_to_W/L_to_W：前、后、左、右偵測不到有物體，則寵物狗處于等待狀態。F_to_W：沒有物體或距離小于65%，靜止不動。R_to_W：物體距離超過35%，靜止不動。

4 測試與分析

4.1水平方向測試

如圖12所示，紅外線追物平臺會偵測到水平方向物體而動態轉動，并控制車體轉向。

圖12　水平方向測試Fig.12 Horizontal test

4.2前后方向測試

如圖13所示，移開一段距離后車體會跟著前進，遠離超過一定距離后會停止，逼近到危險距離時，車體會后退。通過測試，基本達到設計要求。

圖13　前后方向測試Fig.13 Anteroposterior direction test

5 結束語

本文利用Arduino控制基于ITANK智能型移動平臺開發的機器寵物狗，控制系統可靠，機器寵物狗可以根據偵測到的周圍物體情況實現前進、后退、上下及左右搖頭、左轉、右轉等動作。對于機器寵物狗的開發具有一定的實用和參考價值，實驗結果證明，該方案設計有效。

［1］（美）Dale Wheat；翁愷（譯）．Arduino技術內幕［M］．人民郵電出版社，2013．

［2］（美）John-David Warren，Josh Adams，Harald Molle；于欣龍（譯）．Arduino機器人權威指南［M］．北京：電子工業出版社，2014．

［3］（美）Steven F.Bar著．Arduino高級開發權威指南［M］．北京：機械工業出版社，2014．

［4］Emery Premeaux．Arduino Projects to Save the World［M］．Apress，2011．

［5］（美）法魯迪；沈鑫（譯）．Arduino無線傳感器網絡實踐指南［M］．北京：機械工業出版社，2013．

Design of Pet Robot Dog Based on Arduino

SHEN Yao-Wu
（Guangzhou Nanyang College，Guangzhou Guangdong 510925，China）

Design and development of a Arduino control using the pet robot dog，can be completed in accordance with the detected objects around the case forward，backward，shaking his head，turned to other movements，has certain practical and reference value，the experimental results show that，the design scheme is effective.

Arduino；infrared tracing platform；pet robot dog

TP242

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.014

1002-6673（2015）02-038-03

2015-01-06

申耀武（1979-），男，山西晉中人，碩士學位，講師。研究方向：機電一體化技術教學及科研工作。