體感型智能輪式機器人設計

季彬銘+潘寶珠+王愛紅+許惟超+孫靜

摘 要：設計了一種基于體感控制模塊的新型遙控輪式機器人。利用信息檢測模塊（數字加速度傳感器）測量體感控制模塊姿態的數字信號，經由中央處理器模塊（單片機）進行處理，將得到的傾角和傾斜方向轉化為控制信號，利用通信模塊（無線藍牙）進行信息傳輸，通過電機驅動模塊驅動直流電機，實現輪式機器人的運動控制。

關鍵詞：機器人；STC89C52單片機；加速度傳感器；無線藍牙傳輸

1 概述

體感技術的特點，在于人們不必使用任何復雜的控制設備，直接地進行肢體動作，便可讓人們身臨其境地與周邊的裝置或環境進行互動。近年來體感技術廣泛應用于3D虛擬現實、空間鼠標、游戲手柄、運動監測、健康醫療照護等領域，取得了巨大的發展[1-2]。

該設計是以兩個單片機為控制核心，數字加速度計作為體感元件，以直流電機作為驅動與轉向裝置，利用無線藍牙技術進行通信的智能操控系統。本設計體現了檢測、電路、自動控制和無線傳輸等方面的技術，可在特定環境中完成體感控制，穩健行駛。

2 無線通信模塊（藍牙）的總體設計

該智能機器人系統是由中央處理器模塊（單片機）、無線通信模塊（藍牙）、信息檢測模塊（數字式加速度傳感器）、電機驅動模塊、電源等部分組成，其整體結構框圖如圖1所示。

中央處理器模塊選用STC89C52單片機[3]，是體感型智能輪式機器人的關鍵；信息檢測模塊采集到加速度信號經過處理器進行分析和處理，然后通過電機驅動模塊控制機器人的運行狀態，從而實現輪式機器人平穩行駛。

信息檢測模塊選擇ADXL345數字式加速度傳感器[4]。ADXL345傳感器具有體積小、功耗低、分辨率高，測量范圍大（±16g）的特點。單片機可通過SPI或I2C通信方式直接從ADXL345內部的DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1 6個寄存器中讀出加速度數據。通過對這6個寄存器的數據進行組合得出 X，Y和Z三軸的加速度數據，加速度值與數字輸出數據呈線性關系。本設計采用兩線制的I2C總線協議，可以用于三輪或四輪智能機器人的控制。

3 加速度測量原理

設α，β和γ分別為力F與X軸、Y軸和Z軸的夾角，如圖2所示。根據力學知識可得，力F在X軸、Y軸和Z軸上投影的表達式為：

根據牛頓第二定律，加速度與力的矢量表達式為：

聯立方程式（1）、（2），可得加速度分量的表達式為：

傳感器平穩時，此時傳感器僅受到重力作用，加速度a=g。通過變換，判斷傳感器姿勢，并得出角度方程式為：

其中，加速度ax，ay和az分別為數字式加速度傳感器測得的在X軸，Y軸和Z軸上的加速度。

4 程序設計

采用模塊化設計方法，在Keil uVersion5環境下采用C語言編寫程序。相關程序主要包括主程序、電機驅動程序、遙控控制程序等，系統軟件總流程圖如圖3所示。

5 結束語

本設計采用ADXL345數字式加速度傳感器作為體感控制器，經典的STC89C52單片機作為中央處理器，性價比較高的UART藍牙技術作為通信手段，實現了通過手勢改變無線控制智能輪式機器人運轉的目的。通過改變體感遙控器的前傾、后傾、左傾和右傾的姿勢，無線遙控了機器人的前進、后退、左轉和右轉的運動。實驗測試結果顯示：輪式機器人符合體感控制要求，反應靈敏，行動可靠。

參考文獻

[1]林德江，井志勝，王國德，等.基于Leap Motion體感控制技術的數字化展示系統研究[J].火炮發射與控制學報，2015，36（04）：86-90.

[2]師丹瑋.體感操控：視覺識別比加速度傳感器更適合[J].集成電路應用，2013，08：22-23.

[3]陳明妙，吳汶，李曼.基于STC89C52單片機的智能尋跡小車的設計[J].湛江師范學院學報，2013（6）.

[4]袁西，陳棟，田湘，等.三軸數字加速度計ADXL345及其在捷聯慣導中的應用[J].電子設計工程，2010（3）.