基于慣性模塊的智能體感遙控機器人設計

李嘉鵬 馬超 孫浩 馬守賢

摘 要：隨著智能機器人的快速發展，傳統的機器人控制技術越來越不能滿足實際生產的復雜要求，需要更加智能的控制方法來解決這一問題。文章研究了基于慣性模塊的智能體感遙控機器人設計，該設計利用DSP微處理器作為主控制器，同時利用慣性模塊實現體感識別操控，利用液晶模塊顯示當前控制指令、機器人狀態以及當前電池電量，采用LED和蜂鳴器實現提示和警報。設計的機器人具有體積小、操作簡單方便、穩定性高、智能遙控、擴展性強等幾項優點，基本能夠滿足機器人的遙控要求，特別是增加了基于藍牙手機的操控方法，使機器人的操控更加方便簡單，具有較高的應用與推廣價值。

關鍵詞：嵌入式控制；體感技術；慣性模塊；無線通信；智能終端

近年來，機器人技術發展非常迅速，各種用途的機器人在各個領域獲得廣泛應用。傳統的固定式機械手轉變為可移動的機器人，進而滿足空間上的需求。本設計采用模塊化機械裝置，以單片機無線控制為核心，以STM32F103C8T6為主控制器。通過BMI160慣性傳感器模塊來檢測人體發出的信息，再利用無線通信模塊完成數據通信，同時利用液晶顯示模塊進行實時狀態顯示。用體感識別技術代替了傳統的按鍵控制，有效地減少了硬件設備的輸入并簡化了系統。體感技術的優勢在于人們可以通過使用肢體直接與外圍設備或環境交互，而無需使用任何復雜的控制設備，它們可以使人們沉浸于內容交互。根據體感的不同方式和原理，體感技術可分為四大類：慣性傳感、光學傳感、慣性傳感和光學組合傳感[1]。在本設計中，采用慣性傳感原理對手的位置進行檢測。此外，本設計增加的智能終端控制可以讓控制人員使用手機等移動終端設備遠距離遙控機器人。

1 系統方案及整體構架

本設計以基于ARM Cortex-M內核STM32系列的32位的微控制器STM32F103C8T6為主控制器，BMI160慣性傳感器用于手勢檢測，nRF24L01無線模塊用于指令發送和數據接收，OLED液晶模塊用于顯示當前控制指令、機器人狀態。采用LED和蜂鳴器實現提示和警報，增加了電量監測模塊，可以實時觀測電量使用情況。主控制系統軟件中使用了狀態機流程代碼結構，列舉了系統的所有可能狀態，對所有狀態進行閉環控制，增加了系統的穩定性，提升了控制器的代碼處理效率[2]。系統的整體架構如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主控制模塊

本設計采用ST公司的ARM控制器STM32F103C8T6作為主控制器。其擁有32位內核，工作頻率高達72 MHz，內置的64 K×8字節程序存儲器，20 K×8字節SRAM，輸入輸出I/O口37個，還包括時鐘，復位和電源管理等功能。電源電壓2.0～3.6 V，滿足低功耗要求。

2.2 傳感器處理模塊

本設計采用BMI160慣性傳感器模塊進行體感遙控。傳感器模塊通過檢測X，Y，Z3個角度的偏移量和所受重力的不同數據，數據通過無線模塊傳輸給主控芯片STM32F103C8T6后，進入軟件濾波模塊，將因為各種干擾原因產生的不可靠數據濾除，以得到較為準確的測量數據，然后運行姿態計算，通過算法計算出X，Y，Z所在的三維角度數據來對終端進行控制。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用nRF24L01無線模塊發送指令和接收數據，并將接收到的數據轉換成數據指令來控制機器人的運動，實現無線控制。采用嚴格的“問答”形式，即每條指令的發送都要求機械手主體返回一幀數據包。

2.4 顯示模塊

采用OLED液晶模塊顯示機器人和機械臂的狀態以及當前電池電量。OLED顯示技術具有自發光、廣視角、幾乎無窮高的對比度、較低耗電、極高反應速度等優點，因此被廣泛使用。其內部采用SSD1306主控芯片進行數據控制。OLED的特性是自己發光，不像TFT、LCD需要背光，因此可視度和亮度均高，其次是電壓需求低且省電效率高，加上反應快、重量輕、厚度薄，構造簡單，成本低等，被視為21世紀最具前途的產品之一。

2.5 控制模塊

機器人及其手臂的信號控制主要通過一個16路PWM驅動模塊和一個L298N電機驅動板來完成。PWM驅動模塊采用I2C通信方式，從通信上可以跟OLED顯示模塊共用同一套IO口，可以控制16路PWM給機器人及其手臂提供PWM信號。L298N電機驅動板是一個H橋電路，通過改變輸入信號的高低電平和PWM的脈寬就可以控制電機的轉速和方向。在本設計中，機器人和機械臂的電機控制一共占用了10路PWM信號，還有6路PWM信號可以后續擴展使用。此次，本次設計拓展了手機控制功能，可以利用手機上的特定APP實現機器人的控制，將來也可以利用WiFi網絡實現機器人的遠距離操控[3-4]。

3 軟件系統設計

系統初始化后，先進入自檢狀態，檢測各模塊通信是否正常，電池電壓是否處在安全范圍內，并將系統信息顯示在OLED屏幕上；自檢通過后，進入數據接收狀態，在這個狀態里，系統會不斷地接收來自控制板傳來的數據。經過處理之后送給終端進行相應的動作控制，與此同時，單片機內部的DMA功能將不斷地傳輸電池電壓采集的數據，判斷當前電量狀態[5]。

4 結語

該設計研究了基于DSP微處理器的嵌入式體感遙控機器人的設計與實現，同時較詳細介紹了其硬件電路與軟件系統。經過實驗證明，該遙控機器人操作簡單方便、靈活性強、通信可靠、穩定性好、多種控制方式更加人性化等優點，在實際使用中取得了較好的效果。

[參考文獻]

[1]劉軍.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[2]周立功.ARM7嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京：清華大學出版社，2003.

[4]劉火良，楊森.STM32庫開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2013.

[5]聶茹.基于Android手機藍牙控制的智能小車設計與實現[J].微型電腦應用，2015（9）：68-69，74.