基于Android的小型移动机器人控制系统_王志凌

- 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]。
[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.
[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．
[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.
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
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。
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]。
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"/>
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。
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。
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
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
f.setMaximumFractionDigi ts(2); //设置小数位的格式Байду номын сангаас
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]
} } 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，
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，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。
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。
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
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
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