体感型智能轮式机器人设计

季彬铭+潘宝珠+王爱红+许惟超+孙静

摘 要：设计了一种基于体感控制模块的新型遥控轮式机器人。利用信息检测模块（数字加速度传感器）测量体感控制模块姿态的数字信号，经由中央处理器模块（单片机）进行处理，将得到的倾角和倾斜方向转化为控制信号，利用通信模块（无线蓝牙）进行信息传输，通过电机驱动模块驱动直流电机，实现轮式机器人的运动控制。

关键词：机器人；STC89C52单片机；加速度传感器；无线蓝牙传输

1 概述

体感技术的特点，在于人们不必使用任何复杂的控制设备，直接地进行肢体动作，便可让人们身临其境地与周边的装置或环境进行互动。近年来体感技术广泛应用于3D虚拟现实、空间鼠标、游戏手柄、运动监测、健康医疗照护等领域，取得了巨大的发展[1-2]。

该设计是以两个单片机为控制核心，数字加速度计作为体感元件，以直流电机作为驱动与转向装置，利用无线蓝牙技术进行通信的智能操控系统。本设计体现了检测、电路、自动控制和无线传输等方面的技术，可在特定环境中完成体感控制，稳健行驶。

2 无线通信模块（蓝牙）的总体设计

该智能机器人系统是由中央处理器模块（单片机）、无线通信模块（蓝牙）、信息检测模块（数字式加速度传感器）、电机驱动模块、电源等部分组成，其整体结构框图如图1所示。

中央处理器模块选用STC89C52单片机[3]，是体感型智能轮式机器人的关键；信息检测模块采集到加速度信号经过处理器进行分析和处理，然后通过电机驱动模块控制機器人的运行状态，从而实现轮式机器人平稳行驶。

信息检测模块选择ADXL345数字式加速度传感器[4]。ADXL345传感器具有体积小、功耗低、分辨率高，测量范围大（±16g）的特点。单片机可通过SPI或I2C通信方式直接从ADXL345内部的DATAX0、DATAX1、DATAY0、DATAY1、DATAZ0、DATAZ1 6个寄存器中读出加速度数据。通过对这6个寄存器的数据进行组合得出 X，Y和Z三轴的加速度数据，加速度值与数字输出数据呈线性关系。本设计采用两线制的I2C总线协议，可以用于三轮或四轮智能机器人的控制。

3 加速度测量原理

设α，β和γ分别为力F与X轴、Y轴和Z轴的夹角，如图2所示。根据力学知识可得，力F在X轴、Y轴和Z轴上投影的表达式为：

根据牛顿第二定律，加速度与力的矢量表达式为：

联立方程式（1）、（2），可得加速度分量的表达式为：

传感器平稳时，此时传感器仅受到重力作用，加速度a=g。通过变换，判断传感器姿势，并得出角度方程式为：

其中，加速度ax，ay和az分别为数字式加速度传感器测得的在X轴，Y轴和Z轴上的加速度。

4 程序设计

采用模块化设计方法，在Keil uVersion5环境下采用C语言编写程序。相关程序主要包括主程序、电机驱动程序、遥控控制程序等，系统软件总流程图如图3所示。

5 结束语

本设计采用ADXL345数字式加速度传感器作为体感控制器，经典的STC89C52单片机作为中央处理器，性价比较高的UART蓝牙技术作为通信手段，实现了通过手势改变无线控制智能轮式机器人运转的目的。通过改变体感遥控器的前倾、后倾、左倾和右倾的姿势，无线遥控了机器人的前进、后退、左转和右转的运动。实验测试结果显示：轮式机器人符合体感控制要求，反应灵敏，行动可靠。

参考文献

[1]林德江，井志胜，王国德，等.基于Leap Motion体感控制技术的数字化展示系统研究[J].火炮发射与控制学报，2015，36（04）：86-90.

[2]师丹玮.体感操控：视觉识别比加速度传感器更适合[J].集成电路应用，2013，08：22-23.

[3]陈明妙，吴汶，李曼.基于STC89C52单片机的智能寻迹小车的设计[J].湛江师范学院学报，2013（6）.

[4]袁西，陈栋，田湘，等.三轴数字加速度计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J].电子设计工程，2010（3）.