支持蓝牙通信的智能昆虫机器人的设计研究

姚金 冯静 孙家兴 张晓斐 尤忍堂

摘要：为了提高机器人在复杂多变环境中进行作业的能力，设计了一个支持蓝牙通信的智能昆虫机器人控制系统。实现了基于GP2YOA21距离传感器的自动避障，Android移动控制系统与Risym HC-05蓝牙模块的无线通信与远程控制，并通过红外通信、TTL串口语音与蜂鸣器模块来实现机器人之间的协作通信、交互、警示等功能。解决了机器人在实际作业中所遇到的避障、集群交互通信、智能提示等问题，有效的实现了对昆虫机器人实时无线远程控制。因此，本文针对支持蓝牙通信的智能昆虫机器人的设计给出了详细分析。

关键词：蓝牙通信;智能昆虫机器人;设计

由于地球上环境的恶化，自然灾害频繁发生，因此需要能够适应复杂、恶劣、危险环境的高度自动化装备来进行作业，保障相关人员的生命安全，提高救援效率与作业能力。而仿生学正是通过研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，从自然界来获取设计研究的灵感，设计出同时兼具机器与生物共同优点的机器设备。这些机器设备在军事、救灾等方面有着诸多用途;譬如在军事行动中进行攻击、排雷等危险作业，在救灾时进入危险环境对人员进行搜救以及物资的运输等;另外，在人类进行太空探索、星球探测和深海探测等未知环境的探索时也发挥着不可替代的作用。其中，智能昆虫机器人的设计研究主要涉及到嵌入式、蓝牙通信、传感器、数字电子与模拟电子等技术。

1.总体架构

随着近年来电子技术与计算机技术等学科的飞速发展，嵌入式技术作为一门综合交叉性技术，也得到了长足的进步。嵌入式系统作为一种能够执行特定功能、软硬件可裁剪的应用型系统，能够适应应用系统对于功耗、成本、可靠性等方面的严格要求，所以在近年来取得了极大的发展。作为嵌入式系统的一种典型应用，目前普遍使用的移动端设备—智能手机也属于嵌入式设备的范畴。通过移动端嵌入式设备作为控制终端，对具有专用功能的嵌入式应用产品进行远程便捷控制，诞生了许多现代化产品，大大地方便了人们的生活与工作。

根据智能昆虫机器人的主要功能需求，设计了如图1所示的硬件总体架构。

其中，通过Risym HC-05无线蓝牙模块来实现蓝牙通信，该模块负责与手机控制端APP进行通信，接收APP发来的指令请求，转交给ATmega328微处理器执行。GP2YOA21距离传感器实时监测机器人周边环境中障碍物信息，并将所获取的传感器数据发送给ATmega328微处理器进行处理。电源模块负责为机器人整体供电[1]。串口调试模块负责与PC机连接进行固件的烧写以及相关调试工作。系统中共集成了3个微型伺服电机，为机器人行走提供动力。红外通信模块实现了收、发两部分功能，为机器人之间的协作通信提供支持。蜂鸣器模块用于机器人遇到障碍或者紧急状况时的警报提示。TTL串口语音模块用于向用户进行语音提示以及语音交互。信号灯模块对电源状态、蓝牙连接状态和数据传输状态进行提示。

2.核心模块设计

2.1主控模块

主控模块的核心即ATmega328微控制器，系统时钟频率为16 MHz，正常工作电压为直流5V，主控模块包含有4个数字输入口，4个模拟输入口，两个PWM口，1组UART端口，1组I2C端口，1个Micro USB接口，2组电源端口。

2.2硬件接口设计

为了实现机器人所需功能，基于结构与功能模块设计，需要对硬件主控板接口进行具体定义。ICSP接口（ICSP-in circuit serial programmable），又叫在線串口编程，其本质是一种在线烧写程序的方式，主要功能是将用户代码编译并烧写到微处理器ROM中[2]。

2.3通信协议

机器人与移动端之间的通信采用蓝牙通信，蓝牙协议的体系结构自下而上可分为3个部分：硬件层、协议层、应用层。其中，硬件层主要包括链路管理层（LM）、基带层（BB）和射频层（RF）。协议层包括逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）和电话通信协议（TCS）。

移动端与机器人之间的蓝牙Socket通信流程如图2所示。

与常用的Socket套接字通信模式类似，Bluetooth Socket通信中由Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket分别充当客户端和服务器。首先由服务器端Bluetooth Server Socket对象创建一个Bluetooth Socket对象，调用Bluetooth Server Socket的Accept（）来获取，而客户端则通过调用Bluetooth Device的create Rf comm Socket To Service Record（）来获取;在服务器启动服务之后，accept（）进行阻塞，直到客户端Connect（）成功连接服务器，服务器将Bluetooth Socket对象返回给客户端，建立连接后，服务器和客户端的Bluetooth Socket对象能够获取到输入输出流，从而进行下一步的通信。

3.系统实现

本设计中移动端APP界面，根据蓝牙连接流程依次进行蓝牙的连接与通信测试。首先打开蓝牙，通过搜索设备搜索机器人中集成的蓝牙模块进行配对，配对成功之后通过CONNECT建立连接，连接建立之后即可通过控制按钮控制机器人行动。

昆虫机器人移动端控制测试结束后，对昆虫机器人进行了自动避障测试，测试结果证明机器人能够在多种不规则地形中行动，并在合理范围内对所遇障碍进行自动规避。另外，通过多个机器人之间的联合测试，验证了机器人之间进行红外集群通信的有效性，并利用特定机器人对智能语音提示与蜂鸣器警告功能进行了测试，结果证明了TTL串口语音模块的有效性。

4.结束语

本文就智能昆虫机器人的工作原理与相关技术进行了研究分析，并深入探究了该类型机器人在实际应用中所具有的优势与具体适用场景。基于以上研究分析，对昆虫机器人的总体架构、核心模块、系统实现提出了具体的解决方案，可以实现自动避障、远程控制、集群通信交互、智能提示等功能，并通过在实际运行环境中测试进行了验证。

参考文献

[1]杨泽平，文赓，蔡妤婕，马佳敏，饶婷霜，郭梦洁.支持蓝牙通信的智能昆虫机器人的设计与实现[J].实验室研究与探索，2018，37（02）：93-97.

[2]杨泽平，文赓，马佳敏，蔡妤婕，饶婷霜，郭梦洁.智能昆虫机器人与移动设备交互通信的设计与实现[J].物联网技术，2017，7（08）：41-43.