基于K60的藍牙小車機器人的運動控制

林鈺旋+陳森茂+史春笑

摘 要：APP遠程監(jiān)控機器人是基于Android系統(tǒng)編寫APP，通過手機APP發(fā)送指令，ARM接收指令，通過串口發(fā)送給藍牙小車進行運動控制。本文主要介紹監(jiān)控機器人系統(tǒng)中藍牙小車運動控制部分，本設(shè)計以K60芯片為控制核心，采用IRF3205作為電機驅(qū)動的MOS管，配以藍牙從機無線模塊，實現(xiàn)小車的運動控制，同時具有自動避障等功能。

關(guān)鍵詞：K60 藍牙遙控 電機驅(qū)動

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：B 文章編號：1003-9082 （2017） 04-0216-03

一、引言

APP監(jiān)控機器人在家庭、工廠、醫(yī)護等需監(jiān)視的場合發(fā)揮著重要的作用，它可以有效避免一些意外事故的發(fā)生。互聯(lián)網(wǎng)、手機APP安卓系統(tǒng)的開發(fā)，使得人們通過手機就可以輕松控制機器人的移動。無線遙控實現(xiàn)方法包括藍牙、紅外、射頻等幾種，其中藍牙技術(shù)具有一定優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用在信息家電方面，各種家電共用遙控，并在可組網(wǎng)與公眾互聯(lián)網(wǎng)中連接，共享有用信息。藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線遙控具有很高的市場價值及廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計通過結(jié)合ARM開發(fā)板，利用無線通信及K60藍牙處理、硬件測試，達到機器人實時監(jiān)控、運動的目的。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)以K60單片機為核心控制器，通過接在K60主板上的藍牙從機接受來自ARM開發(fā)板的指令，傳給K60讓其做出相應(yīng)處理，通過PWM調(diào)制頻率，使電機驅(qū)動模塊工作。利用H橋電機驅(qū)動電路，控制兩個電機差速，從而改變輪子的轉(zhuǎn)向，達到控制小車運動的目的。通過超聲波避障模塊使小車安全行駛。整個藍牙小車模塊通過一個模塊電源供電，根據(jù)不同模塊的工作需求，電源模塊提供了3.3V、5V的電源。系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計見圖1。

2.系統(tǒng)主要硬件模塊介紹

機器人小車硬件模塊主要有K60單片機、機器人小車底盤、藍牙串口模塊、電機驅(qū)動模塊、機器人小車電源模塊、7.2V鎳鎘電池。

2.1 K60單片機

K60芯片電源類引腳，BGA封裝22個，LQFP封裝27個，其中BGA封裝的芯片有五個引腳未使用。芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、I/O引腳驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器為內(nèi)核和振蕩器。為了電源穩(wěn)定，MCU內(nèi)部包含多組電源電路，同時給出多處電源引出腳，便于外接濾波電容。K60最小系統(tǒng)芯片上同時具有藍牙接收模塊，這樣在設(shè)計主板上就節(jié)省了引出藍牙從機的插槽。

設(shè)計K60單片機的整個主板硬件控制電路，其中包括K60最小核心板及電機驅(qū)動PWM的接口，K60硬件主板引腳功能說明見表1。K60最小系統(tǒng)的引腳及主板設(shè)計的原理圖見圖2。

2.2 機器人底盤及電機

為了方便機器人運動轉(zhuǎn)向，本設(shè)計選擇了兩個電機分別控制兩個車輪，一個萬向輪在底盤前面，這樣利用電機的差速驅(qū)動左右電機不同轉(zhuǎn)速，就可以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向，圖3所示是小車的3輪底盤。由于驅(qū)動機器人需要很大的轉(zhuǎn)矩，所以選擇扭矩大，負載能力強的大功率直流電機。

2.3藍牙串口模塊

在K60最小系統(tǒng)板上有通用的藍牙接口模塊，通過外接藍牙從機模塊，就可以實現(xiàn)藍牙從機接收外部信號，傳送給K60單片機做出相應(yīng)處理。本設(shè)計采用LQ-BTM藍牙從機，在與K60連接時要注意正確的通訊，BTM的RXD要與K60的TXD連接，K60的RXD要與BTM的TXD連接。藍牙從機接上K60后，LED燈常亮，表示藍牙連接狀態(tài)，閃爍表示沒有藍牙連接。通過手機APP界面的藍牙端發(fā)送指令，從機接收信號指令傳到K60，就可以進行運動處理，藍牙接口正確通訊連接見圖4。

2.4電機驅(qū)動模塊

機器人小車采用兩個直流電機進行差速運動，電機驅(qū)動模塊是典型的H橋電路，工作原理見圖5。

它是由四個三級管和四個二極管組成的控制電路，由于它的形狀酷似字母H，所以電路得名“H橋驅(qū)動電路”。要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。假設(shè)當Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極，該流向的電流將驅(qū)動電機往某一方向轉(zhuǎn)動；當三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。

根據(jù)H橋驅(qū)動電路，合理設(shè)計機器人小車電機驅(qū)動模塊，采用IRF3205共8個MOS管組成兩個電機的驅(qū)動電路，更好的實現(xiàn)電流、電壓的可逆，使小車更加穩(wěn)定運動。雙電機驅(qū)動模塊接口原理圖見圖6，電機驅(qū)動電路見圖7。

2.5電源模塊

電機驅(qū)動模塊需要5V電源，利用LM1117-5穩(wěn)壓芯片將來自外部7.2V的鎳鎘電池穩(wěn)壓成5V。同理利用L6932芯片，采用多電容濾波，使穩(wěn)壓后的3.3V電源更加穩(wěn)定。圖8所示是5V和3.3V穩(wěn)壓電路原理圖。

三、軟件設(shè)計實現(xiàn)

1.系統(tǒng)流程圖

本設(shè)計的系統(tǒng)流程圖見圖9，包含主程序流程圖及串口中斷服務(wù)函數(shù)。實現(xiàn)藍牙接收手機端發(fā)送過來的指令送給單片機進行處理，控制機器人小車運動，并實現(xiàn)自動避障功能，使機器人小車穩(wěn)定運動。利用IAR軟件編程，燒寫程序進入K60單片機。整個設(shè)計涉及到藍牙模塊的設(shè)置，電機驅(qū)動輸出頻率的控制，以及串口中斷服務(wù)函數(shù)設(shè)計。

2.電機驅(qū)動PWM控制

在K60單片機中，利用FTM產(chǎn)生PWM來控制電機輸出占空比，從而使電機能夠進行差速，進而達到轉(zhuǎn)向的目的。程序中利用FTM_PWM_Duty（）函數(shù)，來控制FTM產(chǎn)生PWM調(diào)制波進而產(chǎn)生不同占空比。電機驅(qū)動程序如下：

void Moto_Forward//前進

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

void Moto_Backward（）//后退

{

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，500）；}

void Moto_TurnLeft（）//左轉(zhuǎn)

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3， 500）；

}

void Moto_TurnRight（）//右轉(zhuǎn)

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

3.USART串口中斷服務(wù)函數(shù)

通過打開串口接收中斷，進入中斷，執(zhí)行UART4中斷服務(wù)函數(shù)，根據(jù)串口接收到的不同字符“E”、“A”、“B”、“C”、“D”在UART4中斷服務(wù)函數(shù)中執(zhí)行不同的電機驅(qū)動函數(shù)，從而控制藍牙小車的運動。

void UART4_IRQHandler（void）

{char Buffer；

if（UART_Query（UART4）！= 0） //查詢是否接收到數(shù)據(jù)

{Buffer = UART_Get_Char（UART4）；

switch（Buffer）

{case ‘E：

Moto_Stop（）；//停止

break；

case ‘A：

Moto_Forward（）；//前進

break；

case ‘B：

Moto_Backward（）；//后退

break；

case ‘C：

Moto_TurnLeft（）；//左轉(zhuǎn)

break；

case ‘D：

Moto_TurnRight（）；//右轉(zhuǎn)

break；}}}

四、機器人小車的調(diào)試

整個機器人系統(tǒng)安裝完成后，逐個模塊調(diào)試，最后組合各個模塊系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)試。在下載調(diào)試K60時，需要用到J-Link驅(qū)動程序，安裝完驅(qū)動，根據(jù)K60的型號，在驅(qū)動中進行相應(yīng)的設(shè)置。之后再在IAR開發(fā)環(huán)境中進行程序的燒寫。在工程中設(shè)置對應(yīng)的K60型號，之后就可以編譯，下載，調(diào)試。通過K60的電機PWM接口傳送給電機模塊不同的頻率，這時用示波器測量頻率波形是否正常，其占空比是否達到預(yù)期，這樣可以避免接入電機模塊后，燒壞電機。利用手機APP藍牙開發(fā)界面，在手機上發(fā)送“前進”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”的指令就能控制機器人小車運動。

根據(jù)以下步驟完成硬件的調(diào)試：第一，檢查對應(yīng)模塊的原理圖接線是否正確；第二，檢查原理圖與所用器件的引腳是否吻合，進而排除邏輯上的錯誤；第三，用萬用表檢查是否出現(xiàn)虛焊，短路或者開路的現(xiàn)象，進而排除線路的問題和電源的故障情況；第四，利用IAR在下載調(diào)試K60過程中，最容易出現(xiàn)下載不了的情況，這時要注意Jlink的接線是否反，查看驅(qū)動Jlink固件有沒有解鎖。

五、小結(jié)

本項目設(shè)計并建立了一個可遠程控制的智能機器人監(jiān)控系統(tǒng)，對此系統(tǒng)進行試驗證明：能夠遠程控制機器人行走，并可實時的獲得機器人所在區(qū)域的監(jiān)控錄像，無人操控時具有自動避障功能，各個功能模塊正常工作，達到了預(yù)期效果。

參考文獻

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