支持藍牙通信的智能昆蟲機器人的設計與實現

楊澤平，　文　賡，　蔡妤婕，　馬佳敏，　饒婷霜，　郭夢潔

(1. 華東理工大學 信息科學與工程學院， 上海 200237; 2. 上海電力學院 計算機科學與技術學院， 上海 200090)

0　引　言

隨著科學技術的發展，人類成功研制了許多現代化、高科技的機器設備，這些設備往往在某些方面具有不可比擬的優勢以及強大的功能。但是，和自然界的生物比起來，在結構特點、運動特性、適應性、生存能力等方面卻望塵莫及[1-2]。這是因為自然界的生物經歷了億萬年的適應、進化、發展過程，經受住了嚴酷的自然選擇，這才使得生物體在這些方面得天獨厚、巧奪天工，使其生物特性趨于完美[3-4]。道法自然，通過向自然界學習來獲取技術發明的靈感，采用仿生學原理，往往能夠設計出運動特性更加靈活、結構特點更加合理的機器設備[5-6]。

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[7]。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[8-10]。

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。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。經過30多年的發展，嵌入式技術已經跨越了4個階段：最初階段嵌入式技術只是利用單個芯片為核心的可編程控制器所設計構建的系統；之后發展到包含有CPU以及簡單的操作系統的新式嵌入式技術，進入了嵌入式技術發展的第2階段；而第3階段的標志則是成熟的嵌入式系統；目前正處于的第四階段，其主要標志就是互聯網技術的引入，是計算機、通信、微電子以及半導體等技術融合的結果。藍牙通信技術自1994年由愛立信首先提出后，由于其對于多設備連接的支持，解決了數據同步問題，因此得到了迅速的發展，目前管理機構Bluetooth SIG(Bluetooth Special Interest Group，藍牙技術聯盟)已經發布了第5代版本“藍牙5”[11-12]。目前較為先進的藍牙模塊均采用了藍牙低功耗技術(Bluetooth low energy，BLE)，在實現更遠距離傳輸的同時，降低了模塊功耗[13-14]。另外，作為信息技術的三大支柱之一，傳感器、計算機和通信技術一樣都是現代信息技術發展程度的重要標志。傳感器是獲取信息的重要手段，能夠將特定的被測物理量轉換成可用的輸出信號。傳感技術隨著現代科學的進步也得到了長足的發展，總的來說，傳感器技術的發展經歷了3個階段：結構型傳感器、固體傳感器、智能傳感器。由于其與現代科學關系密切，對各學科的進一步發展有巨大的促進與助力，許多發達國家把其當做一個時代的標志，而我國也在“十五”計劃中將傳感器列為重點科技研究發展項目之一。

與輪式機器人相比，昆蟲機器人在非結構化、惡劣的地理環境中具有得天獨厚的優勢，可以到達常規輪式機器設備無法行動的地方進行作業[15-16]。本文基于Arduino主控實現的智能昆蟲機器人，集成了距離傳感器、藍牙通信、紅外通信、信號燈、蜂鳴器和TTL串口語音模塊，并通過主控芯片ATmega328的總體協調控制，解決了在實際作業中所遇到的自動避障、遠程控制、集群交互通信、智能提示等問題，在面對復雜地形時擁有更強的適應能力和靈活性。

1　總體架構

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。

圖1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。GP2Y0A21 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。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，如圖2所示。

2　核心模塊設計

2.1　主控模塊

圖2　指示燈模塊示意圖

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5 V，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。ATmega328引腳配置圖如圖3所示，主控模塊電路圖如圖4所示。

2.2　硬件接口設計

2.2.1接口概述

為了實現機器人所需功能，硬件主控板集成的接口如表1所示。

基于結構與功能模塊設計，硬件主控板結構如圖5所示。

硬件主控板實物如圖6所示。

圖3ATmega328引腳配置圖

圖4　主控模塊電路圖

接口類型數量備注數字輸入口4D2～D5模擬輸入口4A0～A3PWM口2UART端口1組I2C端口1組MicroUSB接口1個電源端口2組VIN輸入電源范圍：5～8V

圖5結構示意圖

圖6　接口實物圖

2.2.2接口定義

硬件接口的具體定義示意圖如圖7所示，在表2中給出了接口的詳細定義。

圖7　接口定義示意圖

2.2.3ICSP接口

ICSP-in circuit serial programmable，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。引腳定義如圖8所示。

圖8　ICSP端口定義

絲印數字端口PWM端口模擬端口串口I2C端口RXTX01Serial0SDAA4SDASCLA5SCLD22D333D44D555A0A0A0A1A1A1A2A2A2A3A3A3

2.3　通信協議

機器人與移動端之間的通信采用藍牙通信，藍牙通信協議體系結構框架如圖9所示，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)。

圖9藍牙協議體系結構框架

移動端與機器人之間的藍牙Socket通信流程如圖10所示。

圖10藍牙Socket通信流程

與常用的Socket套接字通信模式類似，BluetoothSocket通信中由BluetoothSocket 和 BluetoothServerSocket分別充當客戶端和服務器。首先由服務器端BluetoothServerSocket對象創建一個BluetoothSocket對象，調用BluetoothServerSocket的accept()來獲取，而客戶端則通過調用BluetoothDevice的createRfcommSocketToServiceRecord()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BluetoothSocket對象返回給客戶端，建立連接后，服務器和客戶端的BluetoothSocket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界面如圖11所示，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。

圖11移動控制端APP界面圖

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。昆蟲機器人如圖12所示。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。

圖12　昆蟲機器人

4　結　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。

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不忘初心，方得始終。衷心祝愿淮海人不忘初心，牢記使命，大力弘揚人民兵工紅色基因，實現“一切為了前線，一切為了打贏”的企業價值觀，繼續在太行精彩鑄劍，為保家衛國作貢獻！

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·名人名言·

提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅僅是一個數學上或實驗上的技能而已。而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，都需要有創造性的想象力，而且標志著科學的真正進步。

——愛因斯坦