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毕业设计说明书
毕业设计说明书
基于Android的嵌入式搬运小车
1001084150
信息与通信工程学院
陈建斌
学生姓名:
学号:
电子信息工程
学院:
王召巴、陈友兴
专业:
指导教师:
2014年6月
基于Android的嵌入式搬运小车
摘要
Android作为一种新兴技术,不到十年时间成为了多数无线手持设备的操作系统。
其编译环境和工具完全免费使之吸引着许多大学生的注意力。
智能小车,早在19世纪70年代斯坦福研究院已研制出了自主移动机器人,成为了智能小车的前身。
此后,有关智能小车的项目备受国内外专家学者的关注。
本毕业设计在基于Android平台实现了对智能小车控制的方案上,精心挑选了各个功能模块进行组装,用5个自由度的机械臂,完成其搬运功能。
作为一个Android平台的载体,WiFi模块在充当数据交互的媒介时,必须选用高性能的产品。
为了保证小车的平稳性,克服了抖动和摇摆的现象,采用差速直流电机,带减速齿轮。
本设计主要包括WiFi模块、STC核心板、L298N电机驱动模块、舵机控制单元和循迹模块等。
成功实现通过Android软件控制智能小车。
关键词:
Android,STC单片机,WiFi模块,机械臂,智能小车
Android-basedembeddedhandlingcar
Abstract
Asarisingtechnique,Androidbecomeaoperatingsystemformostwirelesshand-helddevices.Itsbuildenvironmentandtoolsarecompletelyfreetoattracttheattentionofmanystudents.Smartcar,backinthe1870satStanfordResearchInstitutehasdevel-opedamobilerobothasbecomeasmartcar'spredecessor.Sincethen,thesmartcarrel-ateditemsconcernofexpertsandscholarsathomeandabroad.
ThegraduationprojectbasedontheAndroidplatformtoachievetheintelligentco-ntrolofthecar,carefullyselectedvariousfunctionalmodulestobeassembled,withfivedegreesoffreedomrobotarmtocompleteitshandlingcapabilities.AsacarrieroftheAndroidplatform,WiFimoduleactsasanintermediaryinthedataexchange,youmustuseahigh-performanceproducts.Inordertoensurethesmoothnessofthecar,shakeandswaytoovercomethephenomenon,theuseofdifferentialDCmotorwithreductiongear.
ThedesignincludesWiFimodule,STCcoreboard,L298Nmotordrivemodule,steeringcontrolunitsandtrackingmodule.Androidsoftwarecontrolbythesuccessfulimplementationofthesmartcar.
Keywords:
Android,STCmicrocontroller,WiFimodule,manipulator,smartcar
1绪论
1.1本课题研究意义
基于Android的嵌入式搬运小车,是以小车为载体,结合最新的无线手持设备所用平台——Android进行研发的一款具有多种功能的智能化搬运小车。
可以到达于许多人工无法到达的地方去执行任务,并取出人工无法取得的东西。
实现智能化控制。
也可作为网络节点用于物联网中,作为一个整体系统的小部分。
由美国航天航空局(NASA)喷气推进实验室制造的“勇气”号和“机遇”号分别于2003年6月和7月在美国佛罗里达达州被送入太空,随后与2004年1月3日和24日在火星不同区域登陆,这两部“火星探测漫游者”是为了在火星上进行为期3个月的搜索,寻找火星上存在水的存在而设计的,它肩负着人类探测火星的使命。
按照事先规定的考核标准,每辆火星车都需要在火星上工作90个火星日(相当于地球上的92天),在火星上行驶总里程达600米以上,造访8个不同的地点。
“勇气”号用小型热辐射光谱仪在着陆区域附近观测到碳酸盐矿物存在的证据。
这一类矿物质被认为需要在有水的条件下才能形成。
这两辆火星漫游车能够在火星上实现自主驾驶,当在行驶过程中发现值得探测的目标时,它会驱动六个轮子向目标方向行驶。
在检测到行进方向有障碍时,火星车会寻找可行的最佳路径。
类似于上述火星漫步车,以轮式结构作为其移动机构,且能够实现自主行驶的移动机器人,我们称之为智能小车,又称之为自主式轮式机器人[1]。
随着通信技术的发展,越来越多的物体被连接到无线设备上,像电视机,空调等遥控技术以及十分成熟。
但是对于搬运小车,这个多功能平台上的无线技术尚未成熟,因为Android平台已成为无线手持设备的代表,用Android平台来控制搬运小车,可以完善这一方面的不足,所以选用Android平台来控制搬运小车。
Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,主要使用于移动设备,如智能手机和平板电脑。
Android操作系统最初由AndyRubin开发,主要支持手机。
2005年8月由Google收购注资。
2013年09月24日谷歌开发的操作系统Android在迎来了5岁生日,全世界采用这款系统的设备数量已经达到10亿台。
这也说明Android有很大的市场。
Android系统的底层建立在Linux系统之上,该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件4层组成,它采用一种被称为软件叠层的方式进行构建。
这种软件叠层结构使得层与层之间相互分离,明确各层的分工。
这种分工保证了层与层之间的低耦合,当下层的层内或层下发生改变时,上层应用程序无需任何改变[2]。
正是因为如此,我才打算设计基于这个平台的小车,不需要再重新做平台和操控设备,仅通过Android平台编写一个小软件,再通过手机等无线设备进行信号传输,以实现对小车的控制。
使得本课题基于Android的嵌入式搬运小车具有了重要的意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1智能小车的研究现状
在国外,有关移动机器人系统相关技术的研究已经比较成熟,一方面原因是因为研究起步早,另一方面原因是相关投入的资金比较多。
从上世纪50年代初,国外就开始对人工智能、机器人视觉、自动导航等机器人系统进行了相关技术的研究。
在1966年至1972年间,斯坦福研究院(SRI)的NilsNilsson和CharlesRosen等人研制出了名为Shakey的自主移动机器人。
进入上世纪90年代,随着技术的发展,移动机器人开始在更现实的基础上,开拓各个应用领域,向实用化进军。
比如1997年美国的“火星探索者”。
进入21世纪,同样由美国研制的火星车“勇气”号和“机遇”号相继登上火星。
在国内,有关移动机器人的技术研究也比较成熟,但是由于起步比较晚,研究的突破性进展比较少。
国内最早从事智能汽车和智能交通研究的是清华大学,他们主要研究的方向集中在汽车导航、车载微机、自主避障、行驶安全等方面。
近年来,国内很多研究机构和高校都重点开展了移动机器人相关技术研究,并在理论研究和实际应用中取得了令人瞩目的成果,在一些领域达到或接近世界领先水平。
例如:
由上海交通大学研制的高性能自主机器人Frontier-ITM,它获得过国家863高技术计划专项支持,多次获得国内外机器人比赛冠军,并且作为中国大学的参赛队,首次参加了Robocup中型组比赛。
2013年12月,我国发射的嫦娥三号的主要任务之一就是释放我国首辆月球车。
标志着我国在车型机器人的研究技术领域取得了突破性进展。
1.2.2Android技术的研究和应用现状
相比于Symbian的日落西山,以及苹果的封闭、WindowsPhone的前途未卜,Android无疑代表了当前行业发展的主流趋势:
开放平台取代了封闭平台。
让参与者均能通过自己的努力而获益。
Android系统自推出以来,就以明显的优势逐渐扩大自大的市场份额,尤其在国外,其呼声日高,可谓是如日中天,正处于蓬勃发展的开拓阶段。
据美国某市场调研机构2012年发布的一份最新报告显示。
2012年一季度在美国,基于Android系统的智能手机的销售量已占据全美手机销售量的28%份额,而大名顶顶的IPhone手机其市场份额紧追其后,占到21%的市场份额,已经确定了Android系统的市场占有比。
据业内人士分析,随着Android系统相应软件的不断开发应用,选择Android系统手机或者无线终端设备的人会越来越多,其市场霸主的地位在更新更好的系统出现之前是不可动摇地。
中国是世界上最大的手机销费国。
由于3G业务的不断推广,对整个手机业起大了巨大的促进作用,当前国内手机市场正在快速向智能手机推进,而Android系统无疑是最大的市场需求。
各大中小型手机制造商近两年都在引入Android工程师,开发基于Android系统的智能手机。
未来基于Android系统的应用软件将进入飞速发展的全新阶段。
Android系统的应用绝不仅局限于手机产业,几年来其迅速扩张到相关领域,例如平板电脑、车载系统、电视STB、智能电器、智能会议系统等。
目前,各IT厂商都在努力的研发前沿应用软件,以期在Android系统发展这一群雄逐鹿的关键阶段,占领更多的市场份额。
Android应用软件的开发技术不是孤立的,它不仅要掌握Android三层框架同时,也必须融合Java层框架内的通信机制、Java与C/C++整合开发的技术、核心服务框架的关键机制、HAL驱动框架及其API、云服务(CloudService)框架及其API等技术。
Android系统由最早的Android1.0已经发展到现在的Android4.4(KitKat)。
Android是目前市场占有率最高的智能手机操作系统,因为它的操作系统是开源的,所以系统稳定性更高,而且在无线手持商务机中的应用比例也在日趋增长[3]。
1.3论文的主要内容
第一章绪论。
主要论述了论文的选题意义,以及国内外研究现状。
第二章搬运小车的方案设计。
介绍本设计所应用的技术原理。
包括android、STC单片机和WiFi模块等。
第三章搬运小车的系统设计。
介绍了本设计的各个模块功能、分析其电路原理图和控制软件的设计。
第四章系统实验。
主要介绍通过本系统所进行过的实验及参数记录。
第五章总结。
2搬运小车的方案设计
2.1总体方案
硬件框图如图2.1所示,以小车为载体,STC单片机为控制器,L298N为电机驱动器,WiFi模块为数据传输的桥梁,实现Android软件对小车的控制。
主要要求和性能指标如下:
●小车能够运动,尽量消除小车在运行过程中的抖动,反应要灵敏;
●机械臂能够正常工作,避免死机,实现每个舵机都能独立控制;
●小车可以循迹,对于拐弯(弧度和直角)要迅速,不可跑偏;
●Android软件要能正常运行,成功发出指令通过WiFi传给单片机;
●单片机能够成功接收WiFi所传的指令,分析要执行的命令,控制小车运行和机械臂动作。
●Android软件控制小车,要灵敏,精度高,能够使准确控制小车的前进、后退、转弯,使其停在指定位置。
图2.1硬件框图
2.2各单元所涉及基本原理
2.2.1Android手机软件做控制界面
Android系统主要由5部分组成:
应用程序层、应用程序框架、函数库、Android运行时、Linux内核。
而本课题所涉及的就是Android的应用程序层,只需要在最顶层操作,无需对其他层做修改。
搭建Android开发环境需要AndroidSDK、Eclipse、ADT插件三个必不可少的软件。
一个完整的Android应用程序包括一套丰富而且可以由用户自定义、方便的视图器件。
含有常用的一些视图界面元素,如下拉列框、按钮等;还包括行为管理器,负责管理应用程序的生命周期,Android本身没有关闭应用程序的功能,由系统根据资源分配自动关闭一些应用程序。
本设计涉及到按钮和文本框等[4]。
2.2.2基于Android的串口通信
串口在数据通信中应用广泛。
但是AndroidSDK指定Java作为第三方应用开发语言,这给C语言实现串口应用带来了困难。
虽然GoogleAndroid已经发布了NDK(NativeDevelopmentKit,原生态开发包),支持开发者用C\C++语言开发Android程序,但是目前官方提供的技术指导比较简略。
NDK的目的是为了增加代码的重用性及加快程序的运行速度,这有利于开发者从其他系统上移植软件到Android平台。
开发步骤为:
(1)JIN接口设计;
(2)使用C\C++实现本地方法;(3)生成动态链接库;(4)将动态链接库复制到Java工程,生产.apk文件[5]。
2.2.3通过串口控制舵机
PC机与单片机的串口通信系统框图如图1所示,主要包括单片机、串口通信电路、PC机串口通信软件和单片机的外围电路。
其中单片机是电路系统的核心,负责接收上位机相关指令,并控制电路的工作状态,PC机串口通信软件用于向下位机发送控制命令,并接受下位机数据,进而测试系统性能;串口通信电路是连接下位机与PC机的桥梁,是二者进行串口通信的基础;外围电路包括了单片机的复位电路、程序下载接口电路等[6]。
图1串口通信系统框图
常用PC机串行接口有3种:
PS/2接口用于连接键盘和鼠标;RS232C串行接口一般用来实现PC机与较低速外部设备之间的远距离通信;USB通用串行总线接口是现在比较流行的接口,它最大的好处在于能支持多达127个外设,外设可以独立供电,也可以通过USB接口从主板上获得500mA@+5V的电流,并且支持热拔插,真正做到即插即用。
RS232C串行通信接口主要特点是技术成熟、结构简单,只需3条普通导线就可以进行双向通信,传输距离较远,一般可达10m以上。
现在流行的高级语言都支持对串口的直接操作,常用的单片机也把串行通讯口作为一个标准接口集成在单片机内,开发者在进行单片机应用系统设计时只需增加1片RS232C与TTL电平转换芯片就可以构成一个单片机与PC机之间的RS232C串行通讯接口。
因此,RS232C串行通讯接口的开发具有开发周期短,对开发者的软硬件水平要求不高等特点。
因此选用RS232做单片机与电脑的串口通信,控制舵机[7][8]。
2.2.4小车的循迹功能实现
小车循迹,首先要考虑到电机的控制问题。
在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。
最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。
本文在研究单片机PWM方法调速直流电机和电机驱动芯片L298N的基础之上,对单片机的电机驱动电路进行了一点优化设计。
内部包含4通道逻辑驱动电路,可以方便地驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。
工作电压为46V,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;输出电流可达2.5A,最大可以达到4A,可驱动电感性负载;可以直接用单片机的IO口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,9脚VSS可接4.5~7V的电压。
4脚VS接电源电压,VS电压范围VIH为+2.5~46V。
1脚和15管脚下的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机,此时OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机正反转;ENA,ENB脚接控制使能端,控制电机的停转[9]。
循迹小车采用光电传感器来识别白色路面中央的黑色引导线,通过单片机实现对转向舵机和驱动舵机的PWM控制,使小车实现快速稳定地巡线行驶。
实验表明,循迹小车能够快速校准、平稳的完成对曲率引导线的巡线行驶任务[10]。
2.2.5Android无线WiFi控制
系统中Android手机可利用周围无线网络资源与其他设备进行交互并实施控制,不仅为现有智能控制系统提供了新的控制方法,也为实现机器与人的信息交换提供了新的交互手段。
系统实现了一种基于Android系统下的无线PWM控制模块设计,并在遥控模型汽车上测试成功。
系统采用了嵌入式ARM平台作为硬件控制模块,完成了Android应用程序开发,编写了手机客户端软件,解决了手机与控制器端之间的数据传输,实现了手机远程控制PWM调速等功能[11]。
WiFi实质上是一种商业认证,它是目前应用最广泛的WLAN(无线局域网)标准,具有WiFi标准认证的产品都符合IEEE802.11b无线局域网络规范。
一个无线局域网络通常由工作站(STA,Station)、无线介质(WirelessMedium,WM)、无线接入点和主干分布式系统(DS,DistributionSystem)等几部分组成。
无线接入技术与有线接入技术的一个很大的不同点体现在无线接入技术标准不统一,不同的标准有不同的应用。
目前比较常见的WLAN技术标准有802.1l系列标准、蓝牙(Bluetooth)标准、IrDA(InfraredDataAssociation)、家用射频HomeRF标准以及新近兴起的UWB标准等[12]。
本课题采用802.11系列标准。
2.2.6物联网(通过WiFi控制小车)
本设计的实现,事实上是一个微型的物联网,把小车作为其中一个网络节点。
按照物联网三维概念模型,物联网由信息物品、自主网络和智能应用3个部分构成。
这3个部分有其各自技术架构。
信息物品技术主要指物品的标识、传感和控制技术,也就是指现有的数字化技术。
信息网络技术属于物理世界与网络世界融合的接口技术。
目前国际上研究的网络化物理系统(CPS)就是属于信息物品技术。
如果把人也看作是一个物品,则信息物品技术也包括了佩戴式计算装置技术。
物联网还涉及到自主网络,自主网络就是具备自管理能力的网络系统,自管理能力具体表现为自配置、自愈合、自优化、自保护能力。
从物联网未来应用需求看,需要扩展现有自主网络的定义,使得自主网络具备自控制能力。
物联网中的自主网络技术包括自主管理技术和自主控制技术。
自主网络管理类技术包括:
网络自配置技术、网络自愈合技术、网络自优化技术、网络自保护技术,自主网络控制类技术包括:
基于空间语义的控制技术、基于时间语义的控制技术。
智能应用技术涉及到传统的人工智能方面的理论和算法,并且融入了现代网络环境下的智能控制理论和方法,这类技术的研究和开发,有可能突破桎梏人工智能发展的理论障碍,使得人类进入智能化时代[13]。
物联网(theInternetOfThings,IOT)被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮,受到各国政府、企业和学术界的重视,美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略[14]。
麻省理工学院Auto-ID中心主任Ashton,K教授于1999年以RFID技术和无线传感网络作为支撑,提出了基于“EPC系统”的物联网。
2000年,麻省理工学院的Neil,G教授撰写了《WhenThingsStarttoThink》一书。
两位教授及他们团队的研究工作标志着国外物联网的发展和研究的开始。
2005年,国际电信联盟(ITU)在信息社会世界峰会(WSLS)上发布了一份题为《TheInternetofthings》的年度报告,进一步i全释和拓展了物联网的内涵,认为物联网是“任何时刻、任何地点、任意物体之间互联”(AnyTime、AnyPlace、AnyThingsConnection),“无所不在的网络”(Ubiquitousnetworks)和“无所不在的计算”(Ubiquitouscomputing),2008年,欧盟通过《TheInternetofThingsin2020))报告对物联网的定义进一步明确,认为物联网是由智能空间中使用智慧接口与用户、社会和环境进行通信的具有标示、虚拟个性的物体或对象所组成的网络。
2009年,IBM公司首席执行官彭明盛将物联网解读为“智慧地球”,认为人类可以通过传感器、互联网、云计算等技术将现实世界与网络世界相连,整合海量的物与物、人与物、人和人的信息,并进行分析与处理,从而最终实现智能化的控制与管理。
此时的物联网逐渐从理论发展到应用,内涵进一步明确和细化[15]。
物联网的应用市场很大,近几年的智能家居就是一个典型的物联网架构,智能家居网络控制系统内部传输接口可以通过有线传输方式和无线传输方式两种传输途径来实现。
有线传输方式包括电力线载波的X-10和CEBUS,电话线方式的HomePNA,以太网方式的IEEE802.3以及专用总线方式的LonWorks,RS485,IEEE1394等;无线传输方式包括红外方式的IrDA,无线局域网方式的EEE802.11系列,家庭射频技术的HomeRF,蓝牙的IEEE802.15.1,ZigBee的IEEE802.15.4等[16]。
本课题所研究的小车就是在智能家居中的一个重要组成部分,系统以四轮移动小车为基础平台,以单片机及ARM处理器为核心控制平台,挂载多个自由度机械手,具有物联网无线控制、循迹、避障、排障、搬运、智能操作控制等功能,实现全智能化控制。
3搬运小车的系统设计
3.1各单元硬件设计
3.1.1WiFi模块
本设计所采用的WiFi模块为HLK-RM04模块,该模块是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块,内置TCP/IP协议栈,如图3.1所示,能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3个接口之间的任意透明转换。
图3.2为WiFi模块的实物图,可以看到上面有两个MAC地址,可以连接两个以太网。
图3.1WiFi模块功能转换图图3.2WiFi模块实物图
第21引脚为UART_TX,接单片机RXD;第20引脚为UART_RX,接单片机TXD。
使用该模块的WiFi转串口功能实现手机与单片机的连接。
表3.1为WiFi模块的一些技术参数,表3.2为WiFi模块在做网络转串口时的技术参数。
在本设计中,端口设置为60000,波特率为115200,8位数据位,无校验,1位停止位。
串口初始化代码如下:
表3.1WiFi模块的一些技术参数
产品型号
HLK-RM04
支持的标准和协议
IEEE802.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11b、IEEE802.3
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