無線遙控避障機器人設計

南穎剛++徐輝等

摘要：設計以微控制器（ATMEGA8L）為核心的無線遙控避障機器人系統(tǒng)，利用WIFI模塊實現(xiàn)機器人和終端（手機）的聯(lián)系，設計了自主避障策略，分析了系統(tǒng)在長時間工作下的收據(jù)交換。通過實驗驗證，整個系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，達到設計要求。

關(guān)鍵詞：電機控制；超生測距；無線遙控避障；單片機

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）23-0120-03

智能小車是輪式機器人的一種，避障是輪式機器人的一個重要功能。避障可以使智能小車在復雜環(huán)境下自主找尋一條可行的路線，對于地震等災后搜尋生命通道有著重要意義。十幾年來，已經(jīng)有很多學者對于避障機器人進行了研究。本文通過將避障小車和智能手機相結(jié)合實現(xiàn)無線遙控避障機器人，一方面在有上位機（智能手機）指令的情況下機器人執(zhí)行上位機指令，另一方面在未收到上位機指令的情況下機器人執(zhí)行自主避障。

1 系統(tǒng)設計

無線遙控避障機器人系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)是由上位控制部分和機器人部分組成。上位控制部分由終端設備和WIFI單元模塊組成，通過終端設備控制機器人的動作，WIFI單元模塊實現(xiàn)命令的無線發(fā)送，上位控制部分可由智能手機來實現(xiàn)。機器人部分由主控單元、WIFI單元、超聲檢測單元以及電機單元四部分組成，其中主控單元實現(xiàn)控制部分命令的接收，超聲檢測單元以及電機單元的控制；超聲檢測單元安裝在機器人小車的正前方，通過發(fā)送超聲波實現(xiàn)距離的檢測；主控單元根據(jù)超聲波檢測的距離，實現(xiàn)電機單元的運動控制，從而有效實現(xiàn)避障的功能。該機器人即可實現(xiàn)自主避障，也可由上位控制部分實現(xiàn)人為控制避障，并且人為控制優(yōu)先。

2系硬件設計

2.1控制器的選擇

上位機控制部分采用智能手機實現(xiàn)，一般智能手機內(nèi)部集成WIFI單元。機器人部分主控單元選用ATMEGA8L單片機，該單片機在機器人領域應用廣泛，相關(guān)測試硬件和軟件較多，便于系統(tǒng)設計和開發(fā)，節(jié)省系統(tǒng)的開發(fā)時間。

2.2電機單元接口設計

電機單元接口設計如圖2所示，其中電機驅(qū)動模塊由雙H橋電路組成，實現(xiàn)雙電機的驅(qū)動控制，電機模塊包含左右直流電機。電機驅(qū)動模塊中EN1和EN2為PWM控制信號，單片機中通過改變PWM信號的占空比，從而調(diào)整直流電機的轉(zhuǎn)速。IN1、IN2 、IN3以及 IN4為驅(qū)動信號，該信號與單片機數(shù)字I/O端口相連接，改變I/O端口數(shù)字狀態(tài)可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等狀態(tài)。以左電機控制為例，控制信號與電機運動狀態(tài)邏輯關(guān)系如表1所示，當IN1=1、IN2=0時電機正轉(zhuǎn)；當IN1=0、IN2=1時電機反轉(zhuǎn)；其他情況下電機停止。機器人運動狀態(tài)和左右電機之間的邏輯關(guān)系如表2所示，當左、右電機同時正轉(zhuǎn)時機器人前進；當左、右電機同時反轉(zhuǎn)時機器人后退；當左電機正轉(zhuǎn)右電機反轉(zhuǎn)時機器人右轉(zhuǎn)；當左電機反轉(zhuǎn)右電機正轉(zhuǎn)時機器人左轉(zhuǎn)。

2.3超聲檢測接口設計

超聲波模塊接口設計的框圖如圖4所示。超聲波檢測單元有兩根線和單片機相連，是Trig和Echo，其中Trig是觸發(fā)控制信號輸入、Echo回響信號輸出。超聲測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度V=340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S：

[s=（t*v）/2] （1）

這里超聲檢測采用HC-SR04模塊實現(xiàn)，該模塊有效測距范圍：2cm-450cm，感應角度不大于15度，精度0.3cm，使用直流5V電壓。該模塊工作時序如圖5所示，首先通過單片機I/O口給TRIG管腳提供一個10us以上的脈沖信號，接著超聲模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，遇到障礙物時模塊自動輸出高電平信號，返回給單片機，單片機記錄高電平持續(xù)時間，從而利用公式（1）計算出距離S。

3 軟件流程設計

3.1機器人運動測試流程圖

機器人運動測試流程圖如圖6所示，開始后，首先進行單片機初始化，接著測試機器人直行100cm，單片機通過控制左電機和右電機運行的方向?qū)崿F(xiàn)機器人的行走。測試系統(tǒng)流程為機器人先直行100cm，接著倒退100cm，再連續(xù)左轉(zhuǎn)5周，最后連續(xù)右轉(zhuǎn)5周。

3.2機器人避障測試流程圖

機器人避障測試流程圖如圖7所示。小車通過超聲傳感器對小車正前方測矩SF。當 S>25cm時，表明小車正前方無障礙，小車直行，等待10ms后再發(fā)送Trig信號；當S≤25cm時，表明正前方有障礙小車執(zhí)行避障策略。

3.3 無線遙控測試流程圖

機器人無線遙控測試流程圖如圖8所示。采用無線控制機器人時，先進行系統(tǒng)初始化，然后建立WIFI連接，接著通過智能手機發(fā)送指令，單片機接收到指令后進行解析指令，最后實現(xiàn)機器人動作。手機界面控制功能圖如圖9所示。該控制有直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退和結(jié)束五種功能。

3.4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖10所示。開始后系統(tǒng)進行初始化，首先檢測是否收到上位機指令。若收到上位機指令則執(zhí)行上位機指令動作；若沒有收到上位機指令則機器人執(zhí)行自主避障策略（通過超聲傳感器對小車正前方測矩記為S，當 S>25cm時，表明機器人正前方無障礙，機器人直行；當S<25cm時，機器人右轉(zhuǎn)90度，測量并記錄正前方距離S，當 S>25cm時，表明機器人正前方無障礙，機器人直行；當S<25cm時機器人反復執(zhí)行該避障策略。）。

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

4.1 實驗結(jié)果

1）機器人在上位機控制下，在2×2m的環(huán)境中，機器人可實現(xiàn)按照上位機的指令進行直行、后退、右轉(zhuǎn)和左轉(zhuǎn)。

2）機器人自主避障實驗示意圖如圖11所示，在2×2m的環(huán)境中，機器人首先面向B平面直行與此同時不斷檢測正前方距離當距離小于25cm時機器人執(zhí)行右轉(zhuǎn)90度，接著面向C平面直行與此同時不斷檢測正前方距離當距離小于25cm時機器人執(zhí)行右轉(zhuǎn)90度。實現(xiàn)了當機器人正前方遇到障礙物時能成功執(zhí)行預定的避障策略規(guī)避障礙物。

4.2 實驗結(jié)論

本文中的無線遙控避障機器人通過實驗驗證，實現(xiàn)了一方面在有上位機指令的情況下機器人執(zhí)行上位機指令，另一方面在未收到上位機指令的情況下機器人執(zhí)行自主避障，整個過程機器人工作正常、穩(wěn)定，達到了設計的預期要求。

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