基于手持設備的智能球研究與設計

1、基于手持設備的智能球研究與設計球形運動裝置具有良好的動靜態(tài)穩(wěn)定性和運動靈活性,能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內運動,即使與其他物體發(fā)生碰撞或跌落,也可以自動恢復穩(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，因此在復雜未知環(huán)境中應用優(yōu)勢顯著。本文對球形運動裝置的運動原理、可控制性等內容進行了研究，設計了基于智能手持設備的智能球控制系統(tǒng)，可將現(xiàn)實世界和虛擬世界的游戲結合起來，帶來一種融合虛擬與現(xiàn)實的體驗。論文關鍵詞：智能球,藍牙技術,速度逆解,非完整約束系統(tǒng)球形運動裝置是最近十幾年出現(xiàn)的一種新型移動結構形式,它的典型特征是具有一個球形外殼且將其運動機構、控制系統(tǒng)、電源等都包含

2、在球形外殼的內部,通過重心偏移、動量守恒等內部驅動方式實現(xiàn)可控運動。球形運動裝置具有良好的動靜態(tài)穩(wěn)定性和運動靈活性,能夠在比其直徑略大的狹窄彎曲空間內運動,即使與其他物體發(fā)生碰撞或跌落,也可以自動恢復穩(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，因此在復雜未知環(huán)境中應用優(yōu)勢顯著。1相關工作一般認為第一個真正的球形運動裝置是由Halme 等于1996年設計完成的，這個球形裝置利用一個可在球殼內滾動的帶有支撐桿的內驅動機構打破系統(tǒng)的平衡,實現(xiàn)裝置的全向運動【1】。Halme等人分析了該裝置的越障、爬坡等運動性能，但這個球形運動裝置的運動可控性與穩(wěn)定性較差。Bicchi等設計的

3、球形運動裝置是放置一輛雙輪小車于空球殼中，利用小車運動打破裝置內部的平衡從而使裝置運動,他們只做了簡單的仿真,沒有實驗結果。Bhattacharya 等設計了一個具有對稱結構的球形運動裝置，與球殼相連接的兩個相互垂直的電機驅動轉子高速旋轉,由于角動量守恒導致球殼反向轉動,由此產(chǎn)生裝置的運動,仿真和實驗結果說明該球形裝置的運動精度比擬差【2】。Mukherjee等提出了一種球形運動裝置的概念設計,其內部從球心位置伸出4根輻條,盤式電機控制重物沿著輻條運動改變球的重心,實現(xiàn)球形運動裝置的全方位運動,球殼內部的支撐腿和攝像機可從球殼內伸出,完成戰(zhàn)場偵察、環(huán)境探測等任務【3】。Javadi等設計的球形

4、運動裝置也是通過調整4根輻條上的配重來改變球形運動裝置的重心,但輻條的布置方式不同,他們只在很小的運動范圍內進行了仿真和實驗【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 系列球形運動裝置。Rotundus的內部設有一根中軸,中軸上懸掛一個擺塊,在電機的驅動下,擺塊向前(或向后)擺動時球形運動裝置滾動前進(或后退),擺塊向側方移動時那么進行轉向【5】。Rotundus內部可安裝相機、無線電通信設備等部件,可在一定距離范圍內為使用人員采集和傳輸特定區(qū)域的信息。孫漢旭等設計了一個類似萬向節(jié)結構的全方位運動球形裝置,通過兩個垂直軸上布置的電機調整配重位置的

5、方式來實現(xiàn)球形裝置的全方位運動。戰(zhàn)強等設計了兩種不同結構的、直線運動與轉彎運動解耦的球形運動裝置,通過兩個電機分別驅動重物實現(xiàn)重心偏移,使球形運動裝置實現(xiàn)直線和轉彎運動【6】。2 智能球控制系統(tǒng)智能球控制系統(tǒng)是基于Android和藍牙功能的 終端進行通信, 終端安裝了應用控制軟件, 可以進行數(shù)據(jù)傳輸。利用 藍牙遙控智能球的行走，以藍牙 作為客戶端，智能球上的藍牙模塊作為效勞端，通過串口仿真協(xié)議進行通信。它具有編程靈活、自由、易于控制、穩(wěn)定性能好、擴展容易等優(yōu)點。實現(xiàn)了智能球的前行、倒退、左轉、右轉和停止等功能，將 變身為遙控器，為人們的帶來方便。21 客戶端設計 客戶端設計采用的是Eclips

6、e開發(fā)環(huán)境，Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發(fā)平臺，還需要為Eclipse安裝一個開發(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。初始化本地藍牙設備，建立LocalDevice類，包括取得本地設備實例、藍牙名稱、設置發(fā)現(xiàn)模式、獲得發(fā)現(xiàn)代理。搜索周圍藍牙設備，每發(fā)現(xiàn)一個設備就調用監(jiān)控接口deviceDiscovered，在這個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。在識別列表List中，選擇一個需要的設

7、備，開始搜索效勞，發(fā)現(xiàn)效勞時自動調用接口servicesDiscovered，并把效勞記錄在serviceRecord，效勞搜索完成調用接口serviceSearchCompleted。根據(jù)上一步搜索到效勞記錄serviceRecord，建立連接要獲得URL，調用接口函數(shù)serviceRecord.getConnectionURL，翻開連接Connector.open(url)，并翻開數(shù)據(jù)流openDataInputStream和openDataOutputStream，就可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。由Canvas 類監(jiān)聽按鍵事件，當有按鍵按下時，自動調用keyPressed,并傳入按鍵編碼，發(fā)出控制信

8、號，控制智能球的運動。2.2 智能球效勞端設計智能球效勞端的設計包括：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設計。下面介紹藍牙串口通信設計和單片機編程設計。藍牙模塊與單片機之間的通信使用虛擬串口實現(xiàn)的，串口為標準配置：波特率9600、檢驗位NONE、數(shù)據(jù)位8 位、停止位1 位。中斷接收函數(shù)只要是負責接受藍牙發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。由于無線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)送來的信號，單片機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)，并控制電機的轉動。3 智能球運動系統(tǒng)智能球三維實體模型如圖1所示。該智能球基于重心偏移的原理實現(xiàn)可

9、控運動,其內部結構主要包括小車、電機、中空軸、重塊和攝像頭。其結構關系為:中空軸通過兩端的兩個滾動軸承連接在球殼上,并作為支架安裝其他4個部件。小車固定在中空軸上,其兩個車輪與球殼呈滾動摩擦接觸;驅動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,當電機旋轉時可驅動重塊繞電機軸左右擺動；就動力學控制來講,智能球的運動學控制具有計算量少、實時性好等優(yōu)點,但也存在動態(tài)特性得不到保證的缺點。采用旋量理論可推導其速度雅可比矩陣實現(xiàn)其速度級運動學逆解，利用可控性李代數(shù)證明該球形智能球系統(tǒng)是可控的。智能球的運動原理是:小車沿球殼內壁爬升帶動內部機構轉過一個角度,使智能球整體產(chǎn)生重心偏

10、移,從而驅動智能球進行直線運動。當重心偏移力矩和滾動摩擦力矩平衡時,智能球勻速前進,此時內部驅動機構與地面保持一個恒定的角度。智能球的轉彎運動是通過電機驅動重塊在垂直于直線運動方向上擺動來實現(xiàn)的。當電機驅動重塊轉過一個角度時,會產(chǎn)生一個側向偏心力矩,使球傾斜一個角度,此時與直線運動相組合即可形成智能球的轉彎運動。圖1 智能球結構4實驗分析為了驗證結構設計的合理性及速度逆解的正確性, 對智能球進行了圓形軌跡運動實驗, 該智能球的直徑為200 mm。實驗過程中利用單目CCD攝像機拍攝球形智能球的位置圖像, 并通過視覺處理手段獲得其型心位置,然后將實驗測得的運動軌跡數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進行比擬。圓形軌跡運

11、動實驗方法是以不同的轉彎半徑進行圓形軌跡運動,考察其圓形軌跡運動的穩(wěn)定性和最小轉彎半徑。實驗中智能球運行軌跡直徑為1. 6 m，運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致的。實驗結果證明了智能球可以實現(xiàn)圓周運動,智能球的圓形軌跡運動誤差在軌跡直徑長度的5 %以內。5 結論本文根據(jù)球形運動裝置控制的特點，通過實驗發(fā)現(xiàn)當對智能球采用開環(huán)控制時,由于系統(tǒng)的實際運行軌跡無法測量,而只能通過積分的方式獲得,因此當受到外界干擾時,智能球的運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動,對其進行包括動力學在內的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效地對智能球進行運動構件的速度、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整合為一體化智能球形運動裝置。參考文獻 Halme A ,Schonberg T ,Wang Y.Motion cont rol of a spherical mobile robot 4t h IEEE International Work2 shop on Advanced Motion Cont rol AMC96. 1996 : 100-106. Bicchi A ,Balluch A ,Prattichizzo D ,et al . Int rod