基于K60的蓝牙小车机器人的运动控制

林钰旋+陈森茂+史春笑

摘 要：APP远程监控机器人是基于Android系统编写APP，通过手机APP发送指令，ARM接收指令，通过串口发送给蓝牙小车进行运动控制。本文主要介绍监控机器人系统中蓝牙小车运动控制部分，本设计以K60芯片为控制核心，采用IRF3205作为电机驱动的MOS管，配以蓝牙从机无线模块，实现小车的运动控制，同时具有自动避障等功能。

关键词：K60 蓝牙遥控 电机驱动

中图分类号：TP242 文献标识码：B 文章编号：1003-9082 （2017） 04-0216-03

一、引言

APP监控机器人在家庭、工厂、医护等需监视的场合发挥着重要的作用，它可以有效避免一些意外事故的发生。互联网、手机APP安卓系统的开发，使得人们通过手机就可以轻松控制机器人的移动。无线遥控实现方法包括蓝牙、红外、射频等几种，其中蓝牙技术具有一定优势，目前被广泛应用在信息家电方面，各种家电共用遥控，并在可组网与公众互联网中连接，共享有用信息。蓝牙技术实现无线遥控具有很高的市场价值及广阔的应用前景。本设计通过结合ARM开发板，利用无线通信及K60蓝牙处理、硬件测试，达到机器人实时监控、运动的目的。

二、系统硬件设计

1.总体方案设计

本系统以K60单片机为核心控制器，通过接在K60主板上的蓝牙从机接受来自ARM开发板的指令，传给K60让其做出相应处理，通过PWM调制频率，使电机驱动模块工作。利用H桥电机驱动电路，控制两个电机差速，从而改变轮子的转向，达到控制小车运动的目的。通过超声波避障模块使小车安全行驶。整个蓝牙小车模块通过一个模块电源供电，根据不同模块的工作需求，电源模块提供了3.3V、5V的电源。系统硬件框图设计见图1。

2.系统主要硬件模块介绍

机器人小车硬件模块主要有K60单片机、机器人小车底盘、蓝牙串口模块、电机驱动模块、机器人小车电源模块、7.2V镍镉电池。

2.1 K60单片机

K60芯片电源类引脚，BGA封装22个，LQFP封装27个，其中BGA封装的芯片有五个引脚未使用。芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换等电路供电，内部电压调节器为内核和振荡器。为了电源稳定，MCU内部包含多组电源电路，同时给出多处电源引出脚，便于外接滤波电容。K60最小系统芯片上同时具有蓝牙接收模块，这样在设计主板上就节省了引出蓝牙从机的插槽。

设计K60单片机的整个主板硬件控制电路，其中包括K60最小核心板及电机驱动PWM的接口，K60硬件主板引脚功能说明见表1。K60最小系统的引脚及主板设计的原理图见图2。

2.2 机器人底盘及电机

为了方便机器人运动转向，本设计选择了两个电机分别控制两个车轮，一个万向轮在底盘前面，这样利用电机的差速驱动左右电机不同转速，就可以实现小车的转向，图3所示是小车的3轮底盘。由于驱动机器人需要很大的转矩，所以选择扭矩大，负载能力强的大功率直流电机。

2.3蓝牙串口模块

在K60最小系统板上有通用的蓝牙接口模块，通过外接蓝牙从机模块，就可以实现蓝牙从机接收外部信号，传送给K60单片机做出相应处理。本设计采用LQ-BTM蓝牙从机，在与K60连接时要注意正确的通讯，BTM的RXD要与K60的TXD连接，K60的RXD要与BTM的TXD连接。蓝牙从机接上K60后，LED灯常亮，表示蓝牙连接状态，闪烁表示没有蓝牙连接。通过手机APP界面的蓝牙端发送指令，从机接收信号指令传到K60，就可以进行运动处理，蓝牙接口正确通讯连接见图4。

2.4电机驱动模块

机器人小车采用两个直流电机进行差速运动，电机驱动模块是典型的H桥电路，工作原理见图5。

它是由四个三级管和四个二极管组成的控制电路，由于它的形状酷似字母H，所以电路得名“H桥驱动电路”。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。假设当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极，该流向的电流将驱动电机往某一方向转动；当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动，实现电机的正反转。

根据H桥驱动电路，合理设计机器人小车电机驱动模块，采用IRF3205共8个MOS管组成两个电机的驱动电路，更好的实现电流、电压的可逆，使小车更加稳定运动。双电机驱动模块接口原理图见图6，电机驱动电路见图7。

2.5电源模块

电机驱动模块需要5V电源，利用LM1117-5稳压芯片将来自外部7.2V的镍镉电池稳压成5V。同理利用L6932芯片，采用多电容滤波，使稳压后的3.3V电源更加稳定。图8所示是5V和3.3V稳压电路原理图。

三、软件设计实现

1.系统流程图

本设计的系统流程图见图9，包含主程序流程图及串口中断服务函数。实现蓝牙接收手机端发送过来的指令送给单片机进行处理，控制机器人小车运动，并实现自动避障功能，使机器人小车稳定运动。利用IAR软件编程，烧写程序进入K60单片机。整个设计涉及到蓝牙模块的设置，电机驱动输出频率的控制，以及串口中断服务函数设计。

2.电机驱动PWM控制

在K60单片机中，利用FTM产生PWM来控制电机输出占空比，从而使电机能够进行差速，进而达到转向的目的。程序中利用FTM_PWM_Duty（）函數，来控制FTM产生PWM调制波进而产生不同占空比。电机驱动程序如下：

void Moto_Forward//前进

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

void Moto_Backward（）//后退

{

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，500）；}

void Moto_TurnLeft（）//左转

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3， 500）；

}

void Moto_TurnRight（）//右转

{FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH0，500）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH1，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH2，0）；

FTM_PWM_Duty（FTM0， FTM_CH3，0）；}

3.USART串口中斷服务函数

通过打开串口接收中断，进入中断，执行UART4中断服务函数，根据串口接收到的不同字符“E”、“A”、“B”、“C”、“D”在UART4中断服务函数中执行不同的电机驱动函数，从而控制蓝牙小车的运动。

void UART4_IRQHandler（void）

{char Buffer；

if（UART_Query（UART4）！= 0） //查询是否接收到数据

{Buffer = UART_Get_Char（UART4）；

switch（Buffer）

{case ‘E：

Moto_Stop（）；//停止

break；

case ‘A：

Moto_Forward（）；//前进

break；

case ‘B：

Moto_Backward（）；//后退

break；

case ‘C：

Moto_TurnLeft（）；//左转

break；

case ‘D：

Moto_TurnRight（）；//右转

break；}}}

四、机器人小车的调试

整个机器人系统安装完成后，逐个模块调试，最后组合各个模块系统统一调试。在下载调试K60时，需要用到J-Link驱动程序，安装完驱动，根据K60的型号，在驱动中进行相应的设置。之后再在IAR开发环境中进行程序的烧写。在工程中设置对应的K60型号，之后就可以编译，下载，调试。通过K60的电机PWM接口传送给电机模块不同的频率，这时用示波器测量频率波形是否正常，其占空比是否达到预期，这样可以避免接入电机模块后，烧坏电机。利用手机APP蓝牙开发界面，在手机上发送“前进”、“后退”、“左转”、“右转”的指令就能控制机器人小车运动。

根据以下步骤完成硬件的调试：第一，检查对应模块的原理图接线是否正确；第二，检查原理图与所用器件的引脚是否吻合，进而排除逻辑上的错误；第三，用万用表检查是否出现虚焊，短路或者开路的现象，进而排除线路的问题和电源的故障情况；第四，利用IAR在下载调试K60过程中，最容易出现下载不了的情况，这时要注意Jlink的接线是否反，查看驱动Jlink固件有没有解锁。

五、小结

本项目设计并建立了一个可远程控制的智能机器人监控系统，对此系统进行试验证明：能够远程控制机器人行走，并可实时的获得机器人所在区域的监控录像，无人操控时具有自动避障功能，各个功能模块正常工作，达到了预期效果。

参考文献

[1]韩国栋.AltiumDesignerWinter09电路设计入门与提高[M].北京：化学工业出版社，2010：21-27.

[2]张兴.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2010：58-77.

[3]于少东.基于K60的智能车控制系统设计[J].四川理工学院学报（自然科学版）.2014：27（5）：1-4.

[4]周兴超.可移动检控机器人的研究[D].辽宁：沈阳理工大学，2009.

[5]谭浩强.C程序设计教程第2版[M].北京：清华大学出版社，2010：256-261.

[6]张伟.单片机原理及应用[M].西安：机械工业出版社，2002：153-202.