基于手持設(shè)備的智能球研究與設(shè)計(jì)論文
球形運(yùn)動裝置是最近十幾年出現(xiàn)的一種新型移動結(jié)構(gòu)形式,它的典型特征是具有一個(gè)球形外殼且將其運(yùn)動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、電源等都包含在球形外殼的內(nèi)部,通過重心偏移、動量守恒等內(nèi)部驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)動。球形運(yùn)動裝置具有良好的動靜態(tài)穩(wěn)定性和運(yùn)動靈活性,能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內(nèi)運(yùn)動,即使與其他物體發(fā)生碰撞或跌落,也可以自動恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài),不會像輪式、足式、履帶式等傳統(tǒng)移動裝置那樣發(fā)生“翻車”問題，因此在復(fù)雜未知環(huán)境中應(yīng)用優(yōu)勢顯著。
1相關(guān)工作
一般認(rèn)為第一個(gè)真正的球形運(yùn)動裝置是由Halme 等于1996年設(shè)計(jì)完成的，這個(gè)球形裝置利用一個(gè)可在球殼內(nèi)滾動的帶有支撐桿的內(nèi)驅(qū)動機(jī)構(gòu)打破系統(tǒng)的平衡,實(shí)現(xiàn)裝置的全向運(yùn)動[1]。Halme等人分析了該裝置的越障、爬坡等運(yùn)動性能，但這個(gè)球形運(yùn)動裝置的運(yùn)動可控性與穩(wěn)定性較差。Bicchi等設(shè)計(jì)的球形運(yùn)動裝置是放置一輛雙輪小車于空球殼中，利用小車運(yùn)動打破裝置內(nèi)部的平衡從而使裝置運(yùn)動,他們只做了簡單的仿真,沒有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Bhattacharya 等設(shè)計(jì)了一個(gè)具有對稱結(jié)構(gòu)的球形運(yùn)動裝置，與球殼相連接的兩個(gè)相互垂直的電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),由于角動量守恒導(dǎo)致球殼反向轉(zhuǎn)動,由此產(chǎn)生裝置的運(yùn)動,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該球形裝置的運(yùn)動精度比較差[2]。Mukherjee等提出了一種球形運(yùn)動裝置的概念設(shè)計(jì),其內(nèi)部從球心位置伸出4根輻條,盤式電機(jī)控制重物沿著輻條運(yùn)動改變球的重心,實(shí)現(xiàn)球形運(yùn)動裝置的全方位運(yùn)動,球殼內(nèi)部的支撐腿和攝像機(jī)可從球殼內(nèi)伸出,完成戰(zhàn)場偵察、環(huán)境探測等任務(wù)[3]。Javadi等設(shè)計(jì)的球形運(yùn)動裝置也是通過調(diào)整4根輻條上的配重來改變球形運(yùn)動裝置的重心,但輻條的布置方式不同,他們只在很小的運(yùn)動范圍內(nèi)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)[4]。2004年瑞典的`Rotundus 公司推出了用于軍事偵察與監(jiān)視用的Rotundus 系列球形運(yùn)動裝置。Rotundus的內(nèi)部設(shè)有一根中軸,中軸上懸掛一個(gè)擺塊,在電機(jī)的驅(qū)動下,擺塊向前(或向后)擺動時(shí)球形運(yùn)動裝置滾動前進(jìn)(或后退),擺塊向側(cè)方移動時(shí)則進(jìn)行轉(zhuǎn)向[5]。Rotundus內(nèi)部可安裝相機(jī)、無線電通信設(shè)備等部件,可在一定距離范圍內(nèi)為使用人員采集和傳輸特定區(qū)域的信息。孫漢旭等設(shè)計(jì)了一個(gè)類似萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的全方位運(yùn)動球形裝置,通過兩個(gè)垂直軸上布置的電機(jī)調(diào)整配重位置的方式來實(shí)現(xiàn)球形裝置的全方位運(yùn)動。戰(zhàn)強(qiáng)等設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的、直線運(yùn)動與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動解耦的球形運(yùn)動裝置,通過兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動重物實(shí)現(xiàn)重心偏移,使球形運(yùn)動裝置實(shí)現(xiàn)直線和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動[6]。
2 智能球控制系統(tǒng)
智能球控制系統(tǒng)是基于Android和藍(lán)牙功能的手機(jī)終端進(jìn)行通信,手機(jī)終端安裝了應(yīng)用控制軟件, 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用手機(jī)藍(lán)牙遙控智能球的行走，以藍(lán)牙手機(jī)作為客戶端，智能球上的藍(lán)牙模塊作為服務(wù)端，通過串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了智能球的前行、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等功能，將手機(jī)變身為遙控器，為人們的帶來方便。
2．1 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)
手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)采用的是Eclipse開發(fā)環(huán)境，Eclipse是一個(gè)開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺，還需要為Eclipse安裝一個(gè)開發(fā)J2ME程序的EclipseMe插件，為了在電腦上方便模擬自己開發(fā)的程序，還需要安裝無線開發(fā)工具WKT。
2.1.1 初始化本地藍(lán)牙
初始化本地藍(lán)牙設(shè)備，建立LocalDevice類，包括取得本地設(shè)備實(shí)例、藍(lán)牙名稱、設(shè)置發(fā)現(xiàn)模式、獲得發(fā)現(xiàn)代理。
2.1.2 搜索藍(lán)牙設(shè)備
搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備就調(diào)用監(jiān)控接口deviceDiscovered（），在這個(gè)接口中添加自己的代碼，把搜索到的設(shè)備記錄在List列表中，搜索設(shè)備完成調(diào)用接口inquiryCompleted（）。完成搜索后，把搜索到的所有設(shè)備顯示出來。
2.1.3 搜索藍(lán)牙服務(wù)
在識別列表List中，選擇一個(gè)需要的設(shè)備，開始搜索服務(wù)，發(fā)現(xiàn)服務(wù)時(shí)自動調(diào)用接口servicesDiscovered（），并把服務(wù)記錄在serviceRecord，服務(wù)搜索完成調(diào)用接口serviceSearchCompleted（）。
2.1.4 建立連接
根據(jù)上一步搜索到服務(wù)記錄serviceRecord，建立連接要獲得URL，調(diào)用接口函數(shù)serviceRecord.getConnectionURL（），打開連接Connector.open(url)，并打開數(shù)據(jù)流openDataInputStream（）和openDataOutputStream（），就可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.1.5 監(jiān)聽鍵盤事件
由Canvas 類監(jiān)聽按鍵事件，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，自動調(diào)用keyPressed（）,并傳入按鍵編碼，發(fā)出控制信號，控制智能球的運(yùn)動。
2.2 智能球服務(wù)端設(shè)計(jì)
智能球服務(wù)端的設(shè)計(jì)包括：藍(lán)牙串口通信設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)和直流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)。下面介紹藍(lán)牙串口通信設(shè)計(jì)和單片機(jī)編程設(shè)計(jì)。
2.2.1 串口通信設(shè)計(jì)
藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間的通信使用虛擬串口實(shí)現(xiàn)的，串口為標(biāo)準(zhǔn)配置：波特率9600、檢驗(yàn)位NONE、數(shù)據(jù)位8 位、停止位1 位。中斷接收函數(shù)只要是負(fù)責(zé)接受藍(lán)牙發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。
2.2.2 單片機(jī)編程設(shè)計(jì)
由于無線接收器和單片機(jī)通信的方式是串口，為了是智能球能迅速響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送來的信號，單片機(jī)使用串口中斷的方式，在main函數(shù)里面主要就是處理中斷接收到的數(shù)據(jù)，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。
3 智能球運(yùn)動系統(tǒng)
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(xiàn)可控運(yùn)動,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括小車、電機(jī)、中空軸、重塊和攝像頭。其結(jié)構(gòu)關(guān)系為:中空軸通過兩端的兩個(gè)滾動軸承連接在球殼上,并作為支架安裝其他4個(gè)部件。小車固定在中空軸上,其兩個(gè)車輪與球殼呈滾動摩擦接觸;驅(qū)動重塊的電機(jī)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(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)可驅(qū)動重塊繞電機(jī)軸左右擺動；就動力學(xué)控制來講,智能球的運(yùn)動學(xué)控制具有計(jì)算量少、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn),但也存在動態(tài)特性得不到保證的缺點(diǎn)。采用旋量理論可推導(dǎo)其速度雅可比矩陣實(shí)現(xiàn)其速度級運(yùn)動學(xué)逆解，利用可控性李代數(shù)證明該球形智能球系統(tǒng)是可控的。
智能球的運(yùn)動原理是:小車沿球殼內(nèi)壁爬升帶動內(nèi)部機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度,使智能球整體產(chǎn)生重心偏移,從而驅(qū)動智能球進(jìn)行直線運(yùn)動。當(dāng)重心偏移力矩和滾動摩擦力矩平衡時(shí),智能球勻速前進(jìn),此時(shí)內(nèi)部驅(qū)動機(jī)構(gòu)與地面保持一個(gè)恒定的角度。
智能球的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動是通過電機(jī)驅(qū)動重塊在垂直于直線運(yùn)動方向上擺動來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動重塊轉(zhuǎn)過一個(gè)角度時(shí),會產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向偏心力矩,使球傾斜一個(gè)角度,此時(shí)與直線運(yùn)動相組合即可形成智能球的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動。
圖1 智能球結(jié)構(gòu)
4實(shí)驗(yàn)分析
為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yùn)動實(shí)驗(yàn), 該智能球的直徑為200 mm。實(shí)驗(yàn)過程中利用單目CCD攝像機(jī)拍攝球形智能球的位置圖像, 并通過視覺處理手段獲得其型心位置,然后將實(shí)驗(yàn)測得的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圓形軌跡運(yùn)動實(shí)驗(yàn)方法是以不同的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行圓形軌跡運(yùn)動,考察其圓形軌跡運(yùn)動的穩(wěn)定性和最小轉(zhuǎn)彎半徑。實(shí)驗(yàn)中智能球運(yùn)行軌跡直徑為1. 6 m，運(yùn)行過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(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了智能球可以實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動,智能球的圓形軌跡運(yùn)動誤差在軌跡直徑長度的5 %以內(nèi)。
5 結(jié)論
本文根據(jù)球形運(yùn)動裝置控制的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對智能球采用開環(huán)控制時(shí),由于系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡無法測量,而只能通過積分的方式獲得,因此當(dāng)受到外界干擾時(shí),智能球的運(yùn)動軌跡會受到較大的影響。為了使球形智能球以較高的精度運(yùn)動,對其進(jìn)行包括動力學(xué)在內(nèi)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地對智能球進(jìn)行運(yùn)動構(gòu)件的速度、加速度或位置的控制，并把智能球與手持設(shè)備藍(lán)牙遙控技術(shù)整合為一體化智能球形運(yùn)動裝置。
參考文獻(xiàn)
[ 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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