基于Android的小型移动机器人控制系统_王志凌
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
c)当手机屏幕垂直竖立放置，Y 轴朝向天空，X= 0 m/s2，Y = 10 m/s2，Z = 0 m/s2。
d) 当手机屏幕垂直竖立放置，Y 轴朝向地面，X= 0 m/s2，Y = -10 m/s2，Z = 0 m/s2。
在Android中，Sensor类来管理 加速度计。程序通过实例化Sensor来 读取加速度及数据。下面是手机获取 各方向加速度值的代码。
[5] 陈进. 一种感应无线车上检测位置 的方法[J]. 电子测量与仪器学报, 2011, 25(3)：272-273.
[6] 景晓军,李剑勇,乔凤杰. 精密数控 直流电源设计[M]. 北京：电源世 界出版社,2011:10-12.
[7] 李瑞，李晓明．基于MobileAndroid小型移动机器人平台控 制系统[J]．机电工程，2013， 30(11): 1414-1419．
[2] 章隆彬,邱恒,马国荣.基于Android 操作系统的XK-I教育机器人平 台设计[J]. 国外电子测量技术, 2013, 32(8)：50-53.
[3] 李杜.基于HC-SR04的超声波测 距装置算法研究[M]. 南京：东南 大学出版社,2012:28-30.
[4] 陈志崇. 机器人惯性定位信息显示 系统设计[D]. 广东：广东工业大 学,2013:22-23.
} } 在手机加速度被改变的情况下会 调用SensorEventListener监听器。当 手机以慢速倾斜状态下，加速度值为 手机与水平轴之间的夹角。 ③数据处理模块：将手机获取的加 速度计数据转换成倾角，并通过自定义 的数据格式生成数据包交给蓝牙通信模 块，并通过蓝牙发送给单片机。 例如，Android手机端发送一个 数据包为“@230%”，表示手机向前 倾斜了30°，该命令可控制小车以一 定速度向前行驶，如增大手机倾角，
针对目前小型移动机器人控制系 统存在的控制方案复杂、成本高、不
易操空等问题，本文提出了利用手机 的蓝牙通信功能和内置的加速度计实 现与移动机器人的无线通信及控制， 通过手机倾斜角度和幅度控制机器人 移动的方向和速度。该系统成本较 低，操作灵活方便，经实际对移动机 器人的控制结果表明：该系统能够实 现精确手动控制机器人运动的既定目 标，且能同时实现自动循线和报警功 能。
小车速度会增大。 2)51单片机程序分成蓝牙通信模
块、小车调速模块、循迹模块、超声 波测距模块、告警模块[7]。
各模块设计如下： ①蓝牙通信模块：通过串口接收 HC-06模块发送过来的Android手机 端控制命令，并解析自定义的命令[8]。 ②小车调速模块：通过 STC12C5A60S2自带的PWM控制器实 现对小车速度的控制。 ③循迹模块：通过接收红外对管 的信号来控制小车自动行驶[9]。 ④超声波测距模块：通过应用单 片机的定时器来实现对超声波模块的 控制，实现测距的目的。 ⑤报警模块：通过单片机IO口来 控制蜂鸣器，并根据告警距离门限进 行分级告警，通过告警音频率指示告 警等级。 3)控制系统界面 控制显界面如图5所示，在这里用 户可以选择相应的交互界面。
- 4 - 国外电子测量技术
中国科技核心期刊
2014年9月第33卷 第9期
专题策划
过超声波传感器测算前方障碍物的距 离，并通过蓝牙将数据实时回传给手 机端；如果超过门限，则上位机进行 语音播报，下位机通过蜂鸣器进行告 警。
4）循线行驶：当用户通过手机发 送循线命令后，移动机器人进入自动 行驶模式，即循线模式；小车可以根 据事先画在地上的黑线行驶，不需要 用户控制，当小车检测不到黑线时， 小车停止行驶[4]。
图6 手动控制效果
自动循迹效果如图7所示，移动 机器人能够随着设定线路精确移动， 当设定线路消失，移动机器人停止。
平台的移动机器人控制系统的设计和 实现，给出了各个功能模块的设计和 具体实现方法。通过蓝牙及加速度计 实现了实时、灵活的控制移动机器行
驶，该移动机器人通过超声波测距实
时显示障碍物距离，并进行分级告
采用3节3.7 V的14450锂电池供 电，使用LM2596作为降压芯片，通过 电位器调节来调整电压输出值。
3) 蓝牙模块 采用HC-06蓝牙模块，支持蓝牙 2.0协议，兼容蓝牙1.1协议。该模块 通过串口和单片机通信。 4）超声波测距模块 超声波测距模块采用的是HCSR04，该模块由超声波发射器、接收 器和控制电路等组成。模块为四线接 口，分别为5 V电源VCC、地线GND、 信号的回响输出端ECHO以及控制信号 触发的输入端TRIG。该模块电路包括 脉冲发生和放大电路。单片机发出的 方波信号，经过三极管放大以及变压 器进行升压，达到特定功率之后，推 动换能器工作，振荡器和超声波换能 器的输出阻抗需要一致，变压器和超 声探头之间应通过驱动器连接[5]。 5） 电机驱动模块 移动机器人的电动机驱动和电池 决定了它整个的运行性能。移动机器 人的电机驱动系统由功率变换器、电 机以及控制器构成[6]。本系统采用的 电机驱动模块是SGS公司的L298N， 其内部含有4通道逻辑驱动电路，即有 2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动 器，接收标准TTL逻辑电平信号，驱 动46 V、2 A以下的电机。 6）红外循迹模块 红外循迹模块由红外传感器 RPR359F和电压比较器LM339构成， 并在比较器后加入一级反射器对监测
制系统操作灵活、实时性强、成本低，具有较强的使用价值。
关键词：Android；蓝牙；加速度计；移动机器人
中图分类号：TM930
文献标识码：A
国家标准学科分类与代码：460.4030
1引 言
随着科学技术的不断发展，机 器人在工业、医学、农业、军事、建 筑业等领域越来越具有广泛的应用前 景，对于智能机器人的需求越来越迫 切。机器人的移动控制技术是机器人 研究领域的一个重要分支，如何有 效、精确的实现机器人的移动控制， 是智能机器人研究中的难点和热点问 题。
SensorEventListener lsn = new SensorEventListener() {
public void on Sensor Changed (SensorEvent e) // 实现接口的方法
{NumberFormat f= NumberFormat.getInstance(); //创 建一个格式化类f
3 软硬件设计
3.1 硬件设计 搭建的移动机器人的实物如图2所
示。
图2 移动机器人实物图
移动机器主要包括：单片机主控 模块、蓝牙模块、报警模块、循迹模 块、超声波测距模块、电源模块、电机 驱动模块。各功能模块具体设计如下：
1)单片机主控模块 选用STC12C5A60S2单片机， 该单片机是传统51单片机速度的8~12 倍，具有1 280字节片内RAM以及64 KB Flash ROM的，有较宽的电压输 入范围和较低的功耗。 2) 电源模块
警，并具有自动循线行驶功能。测试
结果表明，该控制系统操作简单灵 活、运行稳定、实时性强、在十几米
范围内能实现有效控制。本研究在家 用机器人领域有较为广阔的应用前
景。
图7 自动循线功能效果
4结 论
本研究提出了一种基于Android
参考文献
[1] 王鹏. MEMS加速度计的动态倾角 测量性能研究[J]. 计算机测量与 控制, 2012,20(10):2661-2663.
点击“循线行驶”按钮，系统进 入自动行驶模式，即循线模式。小车 可以根据事先画在地上的黑线行驶，
不需要用户控制，当小车检测不到黑 线时，小车停止行驶。 2.3 运行效果展示
手动控制实例如图6所示，机器人 根据用户手动控制进行灵活的运动，显 示X轴和Y轴的加速度数值Байду номын сангаас并能同时 实时显示距离前方障碍物的距离，当小 于设定报警距离时，字体闪烁，机器人 发出报警，并能随着障碍物逐步的靠 近，报警声的频率也会越来越高。
2 系统的整体结构设计
该系统由上位机和下位机两部
图1 系统总体框图 *基金项目： 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201413655006Y）
分组成：上位机采用带蓝牙通信功 能的智能手机，使用Java语言开发 Android应用程序作为移动机器人的 控制软件；下位机设计了带蓝牙通信 模块的移动机器人，包括单片机主控 模块、蓝牙模块、报警模块、循迹模 块、超声波测距模块、电机驱动模块[3] 以及电源模块。系统总体框图如图1所 示。
专题策划
2014年9月第33卷 第9期
基于Android的小型移动机器人控制系统*
王志凌 闻 凯 陈 杰 （南京航空航天大学金城学院 南京 211156）
摘 要：控制系统由Android系统及自带蓝牙通信模块和加速度传感器等组成，通过手机倾斜角度和幅度控制机器人移动的
方向和速度，同时该移动机器人还具有超声波测距、分级告警以及自动循线行驶等功能。测试结果显示，该移动机器人控
[8] 王雷, 蓝箭. 基于Android平台的 无线Wi-Fi控制方法[J]. 卫星电 脑应用, 2012(7)：58-61.
[9] 王国胜,刘峰,陆明.基于 MC9S12DG128单片机的迷宫 机器人设计[J]. 微电机, 2011, 44(12)：56-59.
图5 控制系统界面 启动安装在安卓手机上的重力 感应遥控器软件，点击控制界面上的 “打开蓝牙”按钮，成功与小车上的 蓝牙配对之后，点击“手动控制”按 钮，系统进入手动控制模式。用户可
- 6 - 国外电子测量技术
中国科技核心期刊
2014年9月第33卷 第9期
专题策划
以通过倾斜手机来控制小车前进、后 退、左转、右转，并且随着倾角的增 大，小车的行驶速度也增大。同时， 安装有超声波的小车不断的测算车身 距离前方障碍物的距离，并将距离数 据实时回传给手机端，显示在左下角 “前方障碍物距离”位置处[10]。
信号进行滤抖。 7）报警模块 下位机根据设定的距离门限通过
蜂鸣器进行分级告警，距离越近告警 音频率越高；上位机通过语音播报障 碍物距离。 3.2 软件设计
整个软件系统可以分成Android 手机端软件和智能小车端51单片机程 序。图3是整体设计的流程。
图3 整体设计流程图 1）在Android软件端程序分为蓝 牙通信模块、加速度计检测模块和数 据处理模块。各模块设计如下： ①蓝牙通信模块：完成于HC-06 蓝牙模块的配对与数据交换。 要在Android程序中使用蓝牙功 能，必须在AndroidManifest.xml文 件中进行权限声明，允许程序发现并
该系统设计并主要实现的功能： 1）蓝牙配对：运行安装在手机上 的重力感应遥控器软件、打开手机蓝 牙功能、打开移动机器人电源，手机 与移动机器人完成蓝牙配对。 2）手动控制：系统进入手动控制 模式后，用户可以通过倾斜手机来控 制小车前进、后退、左转、右转，并 且随着倾角的增大，小车的行驶速度 也增大。 3）探障及报警：移动机器人通
②加速度计检测模块：获得手机中 加速度传感器X轴和Y轴的加速度值。
不同形态下，Android手机的加 速度值：
a)当手机Z轴向上放置，默认加速 度值分别为X= 0 m/s2，Y = 0 m/s2， Z = 10 m/s2。
b)当X轴朝向地面，三轴加速度 值分别是X= -10 m/s2，Y = 0 m/ s2，Z = 0 m/s2。
f.setMaximumFractionDigi ts(2); //设置小数位的格式
x = e.values[SensorManager. DATA_X];
y = e.values[SensorManager. DATA_Y];//得到各轴上的重 力 加 速 度
z = e.values[SensorManager. DATA_Z]
中国科技核心期刊
国外电子测量技术 - 5 -
专题策划
2014年9月第33卷 第9期
进行蓝牙配对。图4是手机连接蓝牙模 块流程图。
图4 Android手机连接蓝牙模块流程 <uses-permission
android:name="android. permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android. permission.BLUETOOTH_ ADMIN"/>
d) 当手机屏幕垂直竖立放置，Y 轴朝向地面，X= 0 m/s2，Y = -10 m/s2，Z = 0 m/s2。
在Android中，Sensor类来管理 加速度计。程序通过实例化Sensor来 读取加速度及数据。下面是手机获取 各方向加速度值的代码。
[5] 陈进. 一种感应无线车上检测位置 的方法[J]. 电子测量与仪器学报, 2011, 25(3)：272-273.
[6] 景晓军,李剑勇,乔凤杰. 精密数控 直流电源设计[M]. 北京：电源世 界出版社,2011:10-12.
[7] 李瑞，李晓明．基于MobileAndroid小型移动机器人平台控 制系统[J]．机电工程，2013， 30(11): 1414-1419．
[2] 章隆彬,邱恒,马国荣.基于Android 操作系统的XK-I教育机器人平 台设计[J]. 国外电子测量技术, 2013, 32(8)：50-53.
[3] 李杜.基于HC-SR04的超声波测 距装置算法研究[M]. 南京：东南 大学出版社,2012:28-30.
[4] 陈志崇. 机器人惯性定位信息显示 系统设计[D]. 广东：广东工业大 学,2013:22-23.
} } 在手机加速度被改变的情况下会 调用SensorEventListener监听器。当 手机以慢速倾斜状态下，加速度值为 手机与水平轴之间的夹角。 ③数据处理模块：将手机获取的加 速度计数据转换成倾角，并通过自定义 的数据格式生成数据包交给蓝牙通信模 块，并通过蓝牙发送给单片机。 例如，Android手机端发送一个 数据包为“@230%”，表示手机向前 倾斜了30°，该命令可控制小车以一 定速度向前行驶，如增大手机倾角，
针对目前小型移动机器人控制系 统存在的控制方案复杂、成本高、不
易操空等问题，本文提出了利用手机 的蓝牙通信功能和内置的加速度计实 现与移动机器人的无线通信及控制， 通过手机倾斜角度和幅度控制机器人 移动的方向和速度。该系统成本较 低，操作灵活方便，经实际对移动机 器人的控制结果表明：该系统能够实 现精确手动控制机器人运动的既定目 标，且能同时实现自动循线和报警功 能。
小车速度会增大。 2)51单片机程序分成蓝牙通信模
块、小车调速模块、循迹模块、超声 波测距模块、告警模块[7]。
各模块设计如下： ①蓝牙通信模块：通过串口接收 HC-06模块发送过来的Android手机 端控制命令，并解析自定义的命令[8]。 ②小车调速模块：通过 STC12C5A60S2自带的PWM控制器实 现对小车速度的控制。 ③循迹模块：通过接收红外对管 的信号来控制小车自动行驶[9]。 ④超声波测距模块：通过应用单 片机的定时器来实现对超声波模块的 控制，实现测距的目的。 ⑤报警模块：通过单片机IO口来 控制蜂鸣器，并根据告警距离门限进 行分级告警，通过告警音频率指示告 警等级。 3)控制系统界面 控制显界面如图5所示，在这里用 户可以选择相应的交互界面。
- 4 - 国外电子测量技术
中国科技核心期刊
2014年9月第33卷 第9期
专题策划
过超声波传感器测算前方障碍物的距 离，并通过蓝牙将数据实时回传给手 机端；如果超过门限，则上位机进行 语音播报，下位机通过蜂鸣器进行告 警。
4）循线行驶：当用户通过手机发 送循线命令后，移动机器人进入自动 行驶模式，即循线模式；小车可以根 据事先画在地上的黑线行驶，不需要 用户控制，当小车检测不到黑线时， 小车停止行驶[4]。
图6 手动控制效果
自动循迹效果如图7所示，移动 机器人能够随着设定线路精确移动， 当设定线路消失，移动机器人停止。
平台的移动机器人控制系统的设计和 实现，给出了各个功能模块的设计和 具体实现方法。通过蓝牙及加速度计 实现了实时、灵活的控制移动机器行
驶，该移动机器人通过超声波测距实
时显示障碍物距离，并进行分级告
采用3节3.7 V的14450锂电池供 电，使用LM2596作为降压芯片，通过 电位器调节来调整电压输出值。
3) 蓝牙模块 采用HC-06蓝牙模块，支持蓝牙 2.0协议，兼容蓝牙1.1协议。该模块 通过串口和单片机通信。 4）超声波测距模块 超声波测距模块采用的是HCSR04，该模块由超声波发射器、接收 器和控制电路等组成。模块为四线接 口，分别为5 V电源VCC、地线GND、 信号的回响输出端ECHO以及控制信号 触发的输入端TRIG。该模块电路包括 脉冲发生和放大电路。单片机发出的 方波信号，经过三极管放大以及变压 器进行升压，达到特定功率之后，推 动换能器工作，振荡器和超声波换能 器的输出阻抗需要一致，变压器和超 声探头之间应通过驱动器连接[5]。 5） 电机驱动模块 移动机器人的电动机驱动和电池 决定了它整个的运行性能。移动机器 人的电机驱动系统由功率变换器、电 机以及控制器构成[6]。本系统采用的 电机驱动模块是SGS公司的L298N， 其内部含有4通道逻辑驱动电路，即有 2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动 器，接收标准TTL逻辑电平信号，驱 动46 V、2 A以下的电机。 6）红外循迹模块 红外循迹模块由红外传感器 RPR359F和电压比较器LM339构成， 并在比较器后加入一级反射器对监测
制系统操作灵活、实时性强、成本低，具有较强的使用价值。
关键词：Android；蓝牙；加速度计；移动机器人
中图分类号：TM930
文献标识码：A
国家标准学科分类与代码：460.4030
1引 言
随着科学技术的不断发展，机 器人在工业、医学、农业、军事、建 筑业等领域越来越具有广泛的应用前 景，对于智能机器人的需求越来越迫 切。机器人的移动控制技术是机器人 研究领域的一个重要分支，如何有 效、精确的实现机器人的移动控制， 是智能机器人研究中的难点和热点问 题。
SensorEventListener lsn = new SensorEventListener() {
public void on Sensor Changed (SensorEvent e) // 实现接口的方法
{NumberFormat f= NumberFormat.getInstance(); //创 建一个格式化类f
3 软硬件设计
3.1 硬件设计 搭建的移动机器人的实物如图2所
示。
图2 移动机器人实物图
移动机器主要包括：单片机主控 模块、蓝牙模块、报警模块、循迹模 块、超声波测距模块、电源模块、电机 驱动模块。各功能模块具体设计如下：
1)单片机主控模块 选用STC12C5A60S2单片机， 该单片机是传统51单片机速度的8~12 倍，具有1 280字节片内RAM以及64 KB Flash ROM的，有较宽的电压输 入范围和较低的功耗。 2) 电源模块
警，并具有自动循线行驶功能。测试
结果表明，该控制系统操作简单灵 活、运行稳定、实时性强、在十几米
范围内能实现有效控制。本研究在家 用机器人领域有较为广阔的应用前
景。
图7 自动循线功能效果
4结 论
本研究提出了一种基于Android
参考文献
[1] 王鹏. MEMS加速度计的动态倾角 测量性能研究[J]. 计算机测量与 控制, 2012,20(10):2661-2663.
点击“循线行驶”按钮，系统进 入自动行驶模式，即循线模式。小车 可以根据事先画在地上的黑线行驶，
不需要用户控制，当小车检测不到黑 线时，小车停止行驶。 2.3 运行效果展示
手动控制实例如图6所示，机器人 根据用户手动控制进行灵活的运动，显 示X轴和Y轴的加速度数值Байду номын сангаас并能同时 实时显示距离前方障碍物的距离，当小 于设定报警距离时，字体闪烁，机器人 发出报警，并能随着障碍物逐步的靠 近，报警声的频率也会越来越高。
2 系统的整体结构设计
该系统由上位机和下位机两部
图1 系统总体框图 *基金项目： 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201413655006Y）
分组成：上位机采用带蓝牙通信功 能的智能手机，使用Java语言开发 Android应用程序作为移动机器人的 控制软件；下位机设计了带蓝牙通信 模块的移动机器人，包括单片机主控 模块、蓝牙模块、报警模块、循迹模 块、超声波测距模块、电机驱动模块[3] 以及电源模块。系统总体框图如图1所 示。
专题策划
2014年9月第33卷 第9期
基于Android的小型移动机器人控制系统*
王志凌 闻 凯 陈 杰 （南京航空航天大学金城学院 南京 211156）
摘 要：控制系统由Android系统及自带蓝牙通信模块和加速度传感器等组成，通过手机倾斜角度和幅度控制机器人移动的
方向和速度，同时该移动机器人还具有超声波测距、分级告警以及自动循线行驶等功能。测试结果显示，该移动机器人控
[8] 王雷, 蓝箭. 基于Android平台的 无线Wi-Fi控制方法[J]. 卫星电 脑应用, 2012(7)：58-61.
[9] 王国胜,刘峰,陆明.基于 MC9S12DG128单片机的迷宫 机器人设计[J]. 微电机, 2011, 44(12)：56-59.
图5 控制系统界面 启动安装在安卓手机上的重力 感应遥控器软件，点击控制界面上的 “打开蓝牙”按钮，成功与小车上的 蓝牙配对之后，点击“手动控制”按 钮，系统进入手动控制模式。用户可
- 6 - 国外电子测量技术
中国科技核心期刊
2014年9月第33卷 第9期
专题策划
以通过倾斜手机来控制小车前进、后 退、左转、右转，并且随着倾角的增 大，小车的行驶速度也增大。同时， 安装有超声波的小车不断的测算车身 距离前方障碍物的距离，并将距离数 据实时回传给手机端，显示在左下角 “前方障碍物距离”位置处[10]。
信号进行滤抖。 7）报警模块 下位机根据设定的距离门限通过
蜂鸣器进行分级告警，距离越近告警 音频率越高；上位机通过语音播报障 碍物距离。 3.2 软件设计
整个软件系统可以分成Android 手机端软件和智能小车端51单片机程 序。图3是整体设计的流程。
图3 整体设计流程图 1）在Android软件端程序分为蓝 牙通信模块、加速度计检测模块和数 据处理模块。各模块设计如下： ①蓝牙通信模块：完成于HC-06 蓝牙模块的配对与数据交换。 要在Android程序中使用蓝牙功 能，必须在AndroidManifest.xml文 件中进行权限声明，允许程序发现并
该系统设计并主要实现的功能： 1）蓝牙配对：运行安装在手机上 的重力感应遥控器软件、打开手机蓝 牙功能、打开移动机器人电源，手机 与移动机器人完成蓝牙配对。 2）手动控制：系统进入手动控制 模式后，用户可以通过倾斜手机来控 制小车前进、后退、左转、右转，并 且随着倾角的增大，小车的行驶速度 也增大。 3）探障及报警：移动机器人通
②加速度计检测模块：获得手机中 加速度传感器X轴和Y轴的加速度值。
不同形态下，Android手机的加 速度值：
a)当手机Z轴向上放置，默认加速 度值分别为X= 0 m/s2，Y = 0 m/s2， Z = 10 m/s2。
b)当X轴朝向地面，三轴加速度 值分别是X= -10 m/s2，Y = 0 m/ s2，Z = 0 m/s2。
f.setMaximumFractionDigi ts(2); //设置小数位的格式
x = e.values[SensorManager. DATA_X];
y = e.values[SensorManager. DATA_Y];//得到各轴上的重 力 加 速 度
z = e.values[SensorManager. DATA_Z]
中国科技核心期刊
国外电子测量技术 - 5 -
专题策划
2014年9月第33卷 第9期
进行蓝牙配对。图4是手机连接蓝牙模 块流程图。
图4 Android手机连接蓝牙模块流程 <uses-permission
android:name="android. permission.BLUETOOTH"/>
<uses-permission android:name="android. permission.BLUETOOTH_ ADMIN"/>