感应式移动小车控制系统研究

2017-12-07夏子棋李艳刚王禹雷鸣

卷宗 2017年33期

夏子棋+李艳刚+王禹+雷鸣

摘要：该设计是一种智能跟随机器人，由小车端和手机端两部分构成。小车端装有电子罗盘、红外线、超声波、蓝牙等模块，使用Arduino主板作为小车的控制主板；手机端控制APP，负责采集手机的传感器数据并加以处理，最后转化为对应的指令通过蓝牙模块发送给小车执行。其中，使用了加速度传感器、方向传感器和电子罗盘等传感器计算人的移动方向，并不断尝试提高算法的准确性和高效性，尽量避免出现较大的延迟，做到人与小车的同步移动。

关键词：安卓；Arduino；蓝牙；跟随；算法

1 研究目的及思路

智能跟随机器人，即不需要人操控便可智能跟随人移动的机器人，只服务于确定的某一领域。它融合了多个学科和技术领域，从一定程度上来说，机器人是衡量现代科技和高端制造业水平的重要标志，也是抢占智能社会发展先机的战略领域，象征着一个国家的科学技术发展水平及综合实力。

智能跟随机器人还属于比较新的领域，市场上销售、使用的相对较少，且价格昂贵。目前推出的智能跟随机器人中，比较好的有由意大利公司Piaggio推出的私人货物运输机器人Gita、由我国鼎盛智能科技有限公司推出的ibotn，其平均售价为5000元，价格过高，难以大范围普及。

本文主要描述了如何发明一种成本较低，操作更加便捷且能大范围普及的智能跟随机器人，让智能跟随机器人走进人们的生活，让其小到日常生活，大到工厂结构化的环境，都可以自主地完成指定的工作任务来更好的为人类服务。

就目前的调查，发现其主要的实现原理有两种。一种是靠“看”，另一种靠“听”。“看”的研究方向即通过图像识别、特征识别等辨别跟随目标，并通过成像大小或者激光，红外线等手段判断与目标的距离和方向然后做到智能跟随；“听”的研究方向则是通过接受蓝牙、无线电，红外线，超声波等信号并通过各种定位算法来确定目标的方位和距离。之前所提到的两款跟随机器人Gita和ibotn便是使用的“看”的方法。

为实现成本低、普及规模大的要求，该跟随机器人的控制采用“听”的办法。利用手机自带的传感器来采集数据并利用手机CPU进行数据处理，小车只需接受手机传递的命令并执行，无需进行其他的运算。这样不但大大降低了小车的制作成本，而且避免了采用红外线等方法造成定位不精确的弊端。它的最终目标是成为一款智能陪伴机器人，拥有视频对讲、视频抓拍、危险预警等功能，作为小孩子最好的玩伴和安全的保护者。

2 系统构架

该跟随机器人采用手机作为控制设备，使用方向传感器、加速度传感器、电子罗盘等传感器来采集数据，并通过对应的算法处理数据后生产对应的指令通过蓝牙发送给小车执行。其采用价格相对较低、性比价更高的Arduino作为控制主板，主要的数据采集和数据处理由智能手机端的APP完成。小车端只安装了一些必备的模块，例如HC06蓝牙模块、HMC5883L三轴磁场传感器和MPU6050加速度传感器。

其中Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE）。HC06蓝牙模块用于和手机保持通信，即接收手机端的蓝牙模块传递的移动指令，而HMC5883L三轴磁场传感器和MPU6050加速度传感器则用于采集当前小车的方向、速度等数据用于校正小车的移动方向。

3 实现方案

作为智能跟随小车的主控APP，其主要负责利用蓝牙与小车建立通信，并采集手机传感器的数据，交由对应的算法处理，最后再将对应的指令发送给小车。由于目前智能手机品牌、机型众多，所以必须考虑到各种情况，例如用户手机没有蓝牙、没有所需的传感器等。所以在程序运行之前必须检验用户手机是否具备能够正常运行此款APP的条件，若不能则应及时给用户提示信息。若用户手机能够正常运行APP，便可以直接激活蓝牙连接小车，获取传感器数据，计算移动方向等。其主要作用是用于与小车建立蓝牙通信、获取传感器数据、计算移动方向，所以该软件主要需要解决蓝牙连接和传输数据，传感器数据获取，算法设计等问题，并通过实践不断的优化计算移动的算法。

小车端的主要任务是对Arduino主板进行编程，并使用对应的ArduinoIDE来驱动电机带动小车完成接收到的各种指令。其中，因为Arduino主板并不具备多线程处理能力，所以为了能够在以后添加更多的功能，已通过软件给Arduino添加一个名为wayTask的结构体用于模拟多线程处理。尽管处理方案并不完善，但Arduino已拥有了进行多线程处理的能力。

4 科学性和先进性

和目前市面上多数跟随机器人相比，该智能跟随机器人有以下优势：

（1）采用手机作为跟踪设备。这样既不用在小车上安装多余的用于图像识别的装置，也无需用户佩戴额外的追踪设备，下载安装一个APP即可将用户的手机用于引导机器人跟随用户。

（2）由APP处理数据。小车不再决定如何跟随被跟随者，而交由手机APP去处理并发送指令给小车，小车只需执行APP传递的指令即可，大幅度降低了小车的设计难度和制造成本。

其技术关键在于Arduino主板驱动小车编程、Arduino多线程处理方案设计、传感器数据获取与处理和移动方向算法设计。主要技术指标包括同步跟随延迟时间、傳感器数据采集频率和信息同步出错率。

可作为一种新型玩具，主要适用于拥有儿童的家庭、儿童乐园等使用，若对其进行一定的改造也可用于跟随录像等。

5 总结与展望

由于时间和能力有限，本课题设计的跟随机器人功能暂不完善，还无法达到作为陪伴机器人的目标。而由于新的引导方法的改进，其制作成本很低，具有很高的性价比，适用于家庭、孩童乐园等。针对最终目标，在此提出今后的努力方向：

（1）逐步扩展更多的功能，如视频对话、视频录制、儿童监护等，并对其外观有更高的要求。

（2）尝试将其与人工智能联系起来，让其自主学习规避障碍、适应各种复杂路况等。

（3）对跟随响应速度以及运动精确度方面还需要进行改进。

本课题完成了对智能跟随机器人的设计，并验证了系统的可行性。基本实现了降低其设计难度、制造成本和使用难度的目的，提高了在同类型产品中的竞争力，相信在不久的将来，随着对其不断地完善，该智能跟随机器人会达到一个更高的水平。