基于手持設備的智能球研究與設計論文
球形運動(dòng)裝置是最近十幾年出現的一種新型移動(dòng)結構形式,它的典型特征是具有一個(gè)球形外殼且將其運動(dòng)機構、控制系統、電源等都包含在球形外殼的內部,通過(guò)重心偏移、動(dòng)量守恒等內部驅動(dòng)方式實(shí)現可控運動(dòng)。球形運動(dòng)裝置具有良好的動(dòng)靜態(tài)穩定性和運動(dòng)靈活性,能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內運動(dòng),即使與其他物體發(fā)生碰撞或跌落,也可以自動(dòng)恢復穩定狀態(tài),不會(huì )像輪式、足式、履帶式等傳統移動(dòng)裝置那樣發(fā)生“翻車(chē)”問(wèn)題，因此在復雜未知環(huán)境中應用優(yōu)勢顯著(zhù)。
1相關(guān)工作
一般認為第一個(gè)真正的球形運動(dòng)裝置是由Halme 等于1996年設計完成的，這個(gè)球形裝置利用一個(gè)可在球殼內滾動(dòng)的帶有支撐桿的內驅動(dòng)機構打破系統的平衡,實(shí)現裝置的全向運動(dòng)[1]。Halme等人分析了該裝置的越障、爬坡等運動(dòng)性能，但這個(gè)球形運動(dòng)裝置的運動(dòng)可控性與穩定性較差。Bicchi等設計的球形運動(dòng)裝置是放置一輛雙輪小車(chē)于空球殼中，利用小車(chē)運動(dòng)打破裝置內部的平衡從而使裝置運動(dòng),他們只做了簡(jiǎn)單的仿真,沒(méi)有實(shí)驗結果。Bhattacharya 等設計了一個(gè)具有對稱(chēng)結構的球形運動(dòng)裝置，與球殼相連接的兩個(gè)相互垂直的電機驅動(dòng)轉子高速旋轉,由于角動(dòng)量守恒導致球殼反向轉動(dòng),由此產(chǎn)生裝置的運動(dòng),仿真和實(shí)驗結果表明該球形裝置的運動(dòng)精度比較差[2]。Mukherjee等提出了一種球形運動(dòng)裝置的概念設計,其內部從球心位置伸出4根輻條,盤(pán)式電機控制重物沿著(zhù)輻條運動(dòng)改變球的重心,實(shí)現球形運動(dòng)裝置的全方位運動(dòng),球殼內部的支撐腿和攝像機可從球殼內伸出,完成戰場(chǎng)偵察、環(huán)境探測等任務(wù)[3]。Javadi等設計的球形運動(dòng)裝置也是通過(guò)調整4根輻條上的配重來(lái)改變球形運動(dòng)裝置的重心,但輻條的布置方式不同,他們只在很小的運動(dòng)范圍內進(jìn)行了仿真和實(shí)驗[4]。2004年瑞典的`Rotundus 公司推出了用于軍事偵察與監視用的Rotundus 系列球形運動(dòng)裝置。Rotundus的內部設有一根中軸,中軸上懸掛一個(gè)擺塊,在電機的驅動(dòng)下,擺塊向前(或向后)擺動(dòng)時(shí)球形運動(dòng)裝置滾動(dòng)前進(jìn)(或后退),擺塊向側方移動(dòng)時(shí)則進(jìn)行轉向[5]。Rotundus內部可安裝相機、無(wú)線(xiàn)電通信設備等部件,可在一定距離范圍內為使用人員采集和傳輸特定區域的信息。孫漢旭等設計了一個(gè)類(lèi)似萬(wàn)向節結構的全方位運動(dòng)球形裝置,通過(guò)兩個(gè)垂直軸上布置的電機調整配重位置的方式來(lái)實(shí)現球形裝置的全方位運動(dòng)。戰強等設計了兩種不同結構的、直線(xiàn)運動(dòng)與轉彎運動(dòng)解耦的球形運動(dòng)裝置,通過(guò)兩個(gè)電機分別驅動(dòng)重物實(shí)現重心偏移,使球形運動(dòng)裝置實(shí)現直線(xiàn)和轉彎運動(dòng)[6]。
2 智能球控制系統
智能球控制系統是基于A(yíng)ndroid和藍牙功能的手機終端進(jìn)行通信,手機終端安裝了應用控制軟件, 可以進(jìn)行數據傳輸。利用手機藍牙遙控智能球的行走，以藍牙手機作為客戶(hù)端，智能球上的藍牙模塊作為服務(wù)端，通過(guò)串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩定性能好、擴展容易等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現了智能球的前行、倒退、左轉、右轉和停止等功能，將手機變身為遙控器，為人們的帶來(lái)方便。
2．1 手機客戶(hù)端設計
手機客戶(hù)端設計采用的是Eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境，Eclipse是一個(gè)開(kāi)放源代碼的、基于Java的可擴展開(kāi)發(fā)平臺，還需要為Eclipse安裝一個(gè)開(kāi)發(fā)J2ME程序的EclipseMe插件，為了在電腦上方便模擬自己開(kāi)發(fā)的程序，還需要安裝無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具WKT。
2.1.1 初始化本地藍牙
初始化本地藍牙設備，建立LocalDevice類(lèi)，包括取得本地設備實(shí)例、藍牙名稱(chēng)、設置發(fā)現模式、獲得發(fā)現代理。
2.1.2 搜索藍牙設備
搜索周?chē){牙設備，每發(fā)現一個(gè)設備就調用監控接口deviceDiscovered（），在這個(gè)接口中添加自己的代碼，把搜索到的設備記錄在List列表中，搜索設備完成調用接口inquiryCompleted（）。完成搜索后，把搜索到的所有設備顯示出來(lái)。
2.1.3 搜索藍牙服務(wù)
在識別列表List中，選擇一個(gè)需要的設備，開(kāi)始搜索服務(wù)，發(fā)現服務(wù)時(shí)自動(dòng)調用接口servicesDiscovered（），并把服務(wù)記錄在serviceRecord，服務(wù)搜索完成調用接口serviceSearchCompleted（）。
2.1.4 建立連接
根據上一步搜索到服務(wù)記錄serviceRecord，建立連接要獲得URL，調用接口函數serviceRecord.getConnectionURL（），打開(kāi)連接Connector.open(url)，并打開(kāi)數據流openDataInputStream（）和openDataOutputStream（），就可接收和發(fā)送數據。
2.1.5 監聽(tīng)鍵盤(pán)事件
由Canvas 類(lèi)監聽(tīng)按鍵事件，當有按鍵按下時(shí)，自動(dòng)調用keyPressed（）,并傳入按鍵編碼，發(fā)出控制信號，控制智能球的運動(dòng)。
2.2 智能球服務(wù)端設計
智能球服務(wù)端的設計包括：藍牙串口通信設計、單片機編程設計、電源電路設計和直流電機驅動(dòng)設計。下面介紹藍牙串口通信設計和單片機編程設計。
2.2.1 串口通信設計
藍牙模塊與單片機之間的通信使用虛擬串口實(shí)現的，串口為標準配置：波特率9600、檢驗位NONE、數據位8 位、停止位1 位。中斷接收函數只要是負責接受藍牙發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。
2.2.2 單片機編程設計
由于無(wú)線(xiàn)接收器和單片機通信的方式是串口，為了是智能球能迅速響應上位機發(fā)送來(lái)的信號，單片機使用串口中斷的方式，在main函數里面主要就是處理中斷接收到的數據，并控制電機的轉動(dòng)。
3 智能球運動(dòng)系統
智能球三維實(shí)體模型如圖1所示。該智能球基于重心偏移的原理實(shí)現可控運動(dòng),其內部結構主要包括小車(chē)、電機、中空軸、重塊和攝像頭。其結構關(guān)系為:中空軸通過(guò)兩端的兩個(gè)滾動(dòng)軸承連接在球殼上,并作為支架安裝其他4個(gè)部件。小車(chē)固定在中空軸上,其兩個(gè)車(chē)輪與球殼呈滾動(dòng)摩擦接觸;驅動(dòng)重塊的電機也固定在中空軸上,其輸出軸端固定連桿,連桿的末端固定有重塊,當電機旋轉時(shí)可驅動(dòng)重塊繞電機軸左右擺動(dòng)；就動(dòng)力學(xué)控制來(lái)講,智能球的運動(dòng)學(xué)控制具有計算量少、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),但也存在動(dòng)態(tài)特性得不到保證的缺點(diǎn)。采用旋量理論可推導其速度雅可比矩陣實(shí)現其速度級運動(dòng)學(xué)逆解，利用可控性李代數證明該球形智能球系統是可控的。
智能球的運動(dòng)原理是:小車(chē)沿球殼內壁爬升帶動(dòng)內部機構轉過(guò)一個(gè)角度,使智能球整體產(chǎn)生重心偏移,從而驅動(dòng)智能球進(jìn)行直線(xiàn)運動(dòng)。當重心偏移力矩和滾動(dòng)摩擦力矩平衡時(shí),智能球勻速前進(jìn),此時(shí)內部驅動(dòng)機構與地面保持一個(gè)恒定的角度。
智能球的轉彎運動(dòng)是通過(guò)電機驅動(dòng)重塊在垂直于直線(xiàn)運動(dòng)方向上擺動(dòng)來(lái)實(shí)現的。當電機驅動(dòng)重塊轉過(guò)一個(gè)角度時(shí),會(huì )產(chǎn)生一個(gè)側向偏心力矩,使球傾斜一個(gè)角度,此時(shí)與直線(xiàn)運動(dòng)相組合即可形成智能球的轉彎運動(dòng)。
圖1 智能球結構
4實(shí)驗分析
為了驗證結構設計的合理性及速度逆解的正確性, 對智能球進(jìn)行了圓形軌跡運動(dòng)實(shí)驗, 該智能球的直徑為200 mm。實(shí)驗過(guò)程中利用單目CCD攝像機拍攝球形智能球的位置圖像, 并通過(guò)視覺(jué)處理手段獲得其型心位置,然后將實(shí)驗測得的運動(dòng)軌跡數據與理論數據進(jìn)行比較。圓形軌跡運動(dòng)實(shí)驗方法是以不同的轉彎半徑進(jìn)行圓形軌跡運動(dòng),考察其圓形軌跡運動(dòng)的穩定性和最小轉彎半徑。實(shí)驗中智能球運行軌跡直徑為1. 6 m，運行過(guò)程中智能球偏移理想軌跡的最大誤差約為0. 05 m，這是由于地面不平所導致的。實(shí)驗結果證明了智能球可以實(shí)現圓周運動(dòng),智能球的圓形軌跡運動(dòng)誤差在軌跡直徑長(cháng)度的5 %以?xún)取?/p>
5 結論
本文根據球形運動(dòng)裝置控制的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗發(fā)現當對智能球采用開(kāi)環(huán)控制時(shí),由于系統的實(shí)際運行軌跡無(wú)法測量,而只能通過(guò)積分的方式獲得,因此當受到外界干擾時(shí),智能球的運動(dòng)軌跡會(huì )受到較大的影響。為了使球形智能球以較高的精度運動(dòng),對其進(jìn)行包括動(dòng)力學(xué)在內的閉環(huán)控制系統，有效地對智能球進(jìn)行運動(dòng)構件的速度、加速度或位置的控制，并把智能球與手持設備藍牙遙控技術(shù)整合為一體化智能球形運動(dòng)裝置。
參考文獻
[ 1 ] Halme A ,Schonberg T ,Wang Y.Motion cont rol of a spherical mobile robot [C] ∥4t h IEEE International Work2 shop on Advanced Motion Cont rol AMC’96. 1996 : 100-106.
[ 2 ] Bicchi A ,Balluch A ,Prattichizzo D ,et al . Int roducing t he“SPHERICL E”: an experimental testbed for research and teaching in nonholonomy [ C ] ∥Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Au2tomation. 1995 :2620-2625.
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