平板遙控監(jiān)控拍照四足機器人的設計

杜建誠，李茹蕓，張 韓，王 兆，黃恒一

（三亞學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

仿真四足機器人同時結合了仿真機器人和四足機器人的優(yōu)點，設計結構合理簡單、肢體協(xié)調、穩(wěn)定性好，其仿生結構有著天然的優(yōu)越性，可以模擬四足動物的運動形式來適應不同的地形環(huán)境，同時又具有仿形化以假亂真的特點，相比人而言，仿真四足機器人能夠在較為復雜工作環(huán)境中較好地隱蔽自身，并且能夠較好適應環(huán)境，順利完成特定任務。本文在此研究基礎上設計了一款簡易的通過平板遙控監(jiān)控拍照四足機器人[1]。

1 設計方框圖

本文設計的仿真四足機器貓以Arduino nano及配套擴展板為基礎，包含藍牙模塊、監(jiān)控模塊、定位模塊、電源模塊、舵機模塊和傾斜傳感器模塊[2]。圖1為設備的系統(tǒng)整體設計框架圖。

圖1 系統(tǒng)設計方框圖

2 硬件設計

硬件設計上，該設計以貓為仿生對象，模擬貓的生物形態(tài)，搭載Arduino nano 及配套擴展板，內(nèi)含藍牙模塊、定位模塊、電源模塊、舵機模塊、傾斜傳感器和監(jiān)控模塊。在進行操作時候，用戶可以通過平板打開專用Android 應用程序，并在APP 上開啟藍牙功能與四足仿真機器貓連接。在APP上就可以控制機器貓前后左右的移動，開啟監(jiān)控模塊攝像頭時可以獲得實時傳輸畫面[3]。

2.1 主控芯片

該智能四足仿真機器貓使用了Arduino nano 系列芯片，具體型號為Arduino nano v3.2。Arduino nano為Arduino USB 接口的微型版本，其主控芯片采用的處理器核心為ATmega328（Nano3.0），該芯片具有輕量化、低功耗、便于安裝等優(yōu)點。圖2為Arduino nano 芯片實圖[4]。

圖2 Arduino nano 實圖

2.2 定位模塊

本文選用的定位模塊為一款微型嵌入式設備，其通過磁力固定在仿真四足機器貓電池盒下。該設備內(nèi)置定位芯片，可以接收GPS 信號。在手機、平板、計算機等平臺上可以查看機器貓的運動軌跡，并獲取機器貓的實時位置，能夠獲取到較為精確的定位，在后面調試過程中起到不少幫助。圖3是該微型嵌入式設備實物圖[5]。

圖3 定位模塊實物圖

2.3 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊由WiFi 數(shù)傳模塊和高清攝像頭組成。具體工作過程如下，高清攝像頭拍攝實時監(jiān)控畫面?zhèn)鹘o數(shù)傳模塊，WiFi 數(shù)傳模塊再將畫面?zhèn)鬏斒謾C或者平板中。WiFi 數(shù)傳模塊供電電壓為5 V，驅動電流為1 A，搭載64 MB RAM 儲存，配備一個USB 接口，天線上搭載大功率板載天線，通過TTL 串口進行通信。高清攝像頭模塊通過USB 接口與數(shù)傳模塊相連，其供電電壓為5 V，像素為30 萬，輸出幀率為30 f/s，支持手動調焦。圖4和圖5分別為高清攝像頭和WiFi 數(shù)傳模塊實物圖[6]。

圖4 高清攝像頭實物圖

圖5 WiFi 數(shù)傳模塊實物圖

3 軟件設計

在軟件設計與具體功能開發(fā)上，使用到了下面四款軟件，包括Proteus 8 Professional、Java、APP Inventor2、Arduino 1.8.13。由于在硬件上使用Arduino nano 及配套開發(fā)板，所以使用Arduino 1.8.13 進行編程。在該軟件可以對機器貓的動作進行編程控制，在完成程序編寫以后可直接燒錄到機器貓中。具體電路設計上使用到Proteus 8 Professional。在控制APP 的開發(fā)上，使用APP Inventor2 進行開發(fā)。在設計操作界面上，通過設計幾個簡單的按鈕，以完成復雜的功能；在APP打包上，僅需導入機器貓的控制源碼，就能生成打包APK 軟件[7]。

3.1 程序流程

在程序流程上，機器貓以APP Inventor2 軟件開發(fā)的APP 應用程序為基礎，智能手機或者平板通過藍牙連接，完成機器貓與控制端設備的配對。完成設備配對后，可以發(fā)出舵機位置校對命令，調節(jié)機器貓的平衡性，使機器貓的運行更加穩(wěn)定；完成舵機調節(jié)，發(fā)送前、后、左、右的控制命令，就可以完成機器貓前后左右的移動。圖6為程序流程。

圖6 程序流程

3.2 Arduino 開發(fā)系統(tǒng)

該軟件為Arduino nano開發(fā)板的配套軟件，是一款方便、簡單的開源電子平臺，兼容主流的操作系統(tǒng)，對Linux 也有不錯的兼容性，使用的語言是C 語言。在Arduino 上編寫程序，再轉換成二進制文件，通過數(shù)據(jù)線可燒錄到機器貓中的Arduino nano 芯片中，即可完成具體功能的實現(xiàn)[8]。圖7為Arduino 代碼實圖。

圖7 Arduino 代碼實圖

3.3 APP Inventor2 程序設計

開發(fā)的APP 程序所利用的APP Inventor2 平臺，需用到谷歌賬號進行開發(fā)，受國內(nèi)某些政策影響，無法正常通過谷歌賬號進行使用。但所幸也可通過廣州市教育信息中心服務器完成開發(fā)，通過郵箱或者QQ 登錄http：//app.gzjkw.net/login/網(wǎng)絡地址。登錄后，點擊新建項目按鈕，輸入項目名稱Cat_Robot，即完成APP 前期的準備工作。具體設計上，該APP 開發(fā)分為界面設計和邏輯設計兩部分[9]。圖8為程序開發(fā)平臺項目建立。

圖8 程序開發(fā)平臺項目建立

4 系統(tǒng)調試與分析

4.1 系統(tǒng)調試

在完成好仿真四足機器貓的硬件設計和軟件部分程序的設計后，進入到系統(tǒng)調試的環(huán)節(jié)。在完成設備及配套模塊組裝后，就需要對設備進行功能測試。具體測試內(nèi)容包括APP連接控制測試、GPS 定位模塊測試和監(jiān)控模塊測試。

4.2 GPS 模塊測試

下面進入到GPS 模塊的測試中，將GPS 模塊安裝在仿真機器人的電池盒下面。該模塊帶有磁鐵，能夠和仿真機器貓緊密相連。打開GPS 模塊，在提示燈紅燈慢閃30 s 后就完成上線。繼續(xù)在平板打開定位軟件，接收到模塊發(fā)送過來的信號，可以在地圖上清晰見到仿真機器貓的位置。圖9為測試階段機器貓的實時位置[10]。

圖9 實時位置圖

4.3 監(jiān)控模塊測試

監(jiān)控模塊是機器貓的重要組成部分，機器人上的攝像頭用來采集和記錄來自機器人的實時視頻[10]。在實際操作時，攝像頭將拍攝到畫面?zhèn)魉偷絎iFi 數(shù)傳模塊。WiFi 數(shù)傳模塊通過WiFi 將畫面?zhèn)鞯紸PP 界面上，完成對周圍環(huán)境的監(jiān)控。為了拍攝的穩(wěn)定性，攝像頭需要進行加固，避免畫面虛化。圖10為監(jiān)控測試拍攝實圖。

圖10 監(jiān)控測試拍攝實圖

5 結 語

本文設計的仿真四足機器人利用平板等操控設備通過藍牙與仿真機器貓的藍牙模塊相連，進而使用機器貓控制APP，完成機器貓前后左右的移動。配備的定位模塊可以精準顯示仿真機器貓的實時位置，監(jiān)控模塊可以實時在操控設備上顯示周圍情況，便于使用者做出實時判斷。測試結果表明，本文設計的四足仿真機器人擁有良好的協(xié)調性、對地形不錯的適應性以及仿形化所帶來出色的隱蔽性，能夠執(zhí)行人所不能完成的危險任務。