白块机械臂 用机械臂来踩白块

cirno

                           
白块机器人

  

2017年9月8日

摘  要
--------------------------------------------------------------------------------------

舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，属于伺服电机的一种，广泛应用于模型，玩具中。在机器人，机械臂中，舵机控制着各个部分的运动，控制舵机是在机器人控制中重要的，不可缺少的基础部分。
本设计使用线性CCD实现了简单的图像识别功能，设计了基于两个舵机的机械笔结构，在此基础上控制舵机以触碰屏幕上某点，实现了对“别踩白块”游戏的自动操作。

关键字：舵机、机械臂、线性CCD、踩白块。


一、系统硬件介绍--------------------------------------------------------------------------------------
1．机械部分
舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，主要由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经电路板上的 IC驱动无核心马达转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，检测电阻值便可知转动的角度。对于本系统而言，两个舵机已足够满足旋转加触碰的需求。
触屏笔在手握操作时可以正常使用，但是实际测试时发现未与人体接触的触屏笔灵敏度非常低。因此，在触屏笔的末端贴上锡纸，并用杜邦线连接锡纸与人体。就可以较好地解决了触控的问题。机械结构如图1-1。

图1-1  机械结构示意图

2．检测装置的选择与论证
对与别踩白块游戏中下落黑块的检测，有了三种方案。

方案一：红外对管。红外对管广泛使用于黑线的检测，其检测灵敏，处理简单，但此方案在进行前期测试时发现无法正常使用。猜想是因为测试所用的手机屏幕为TFT屏幕，TFT屏幕在显示黑色像素时依然会发光，而另一种AMOLED屏幕则在显示黑色像素时几乎不发光，但由于条件限制，未能使用AMOLED屏幕进行测试。   

方案二： 光敏电阻。使用光敏电阻配合运放对黑块下落的四个轨道进行检测，其反应灵敏，处理简单，且实际测试可行。但使用光敏电阻与红外对管均有两个致命缺点：不美观、影响触碰。原理图如图1-2所示。

图1-2 光敏电阻检测原理图

方案三：线性CCD。使用线性CCD进行检测，线性CCD非常适合黑线检测，在智能车中广泛使用。在本设计中使用可以使其更美观，且不影响触屏笔的操作，缺点是数据量较上述两种方案大，处理耗时较长。
综上所述，我们决定采用线性CCD来检测下落的黑块。


3．其他部件
为实现手机的操控，对系统添加了ESP8266模块来实现TCP通信。
本系统外接5V直流电源，STM32和WIFI模块ESP8266的工作电压均为3.3V，因此使用AMS1117-3.3芯片满足电源要求。电路如图1-3。

         图1-3 电源模块原理图

本系统所使用的手机为红米Note 4X 标准版。组装完成后的系统见图1-4。

图1-4 组装完成后的系统

二、系统软件设计
--------------------------------------------------------------------------------------
1．线性CCD的使用
本设计采用蓝宙TSL1401线性CCD，其时序图较简单，如图2-1：

         图2-1 TSL1401 线性传感器时序图

TSL1401返回的128个像素值为电压值，因此需要使用STM32的ADC功能。为了区分黑块和白块，首先划分出4个下落区域，程序中对这四个下落区域的灰度值求平均值，比较出最黑的一个区域，即黑块。

2．舵机的使用
两个舵机使用STM32的定时器TIM3的两个PWM通道控制。通过改变周期20ms的PWM的占空比，可以很容易的控制舵机到自己想要的角度。
检测出黑块的位置之后，STM32给两个舵机输入合适的PWM值i，j，达到触碰黑块的目的。

1. TIM_SetCompare1(TIM3,i);//上舵机
   
2. TIM_SetCompare1(TIM3,j);//下舵机

复制代码

为了方便，事先直接测得机械臂各个动作所对应的PWM值，如图2-2和表2-1。

下舵机	位置1	位置2	位置3	位置4
PWM值i	890	840	800	750
上舵机	上移		下移
PWM值j	900		970

表2-1 舵机角度表

     

         图2-2 别踩白块游戏界面。

3．手机控制

为了达到使用手机控制此机械臂的目的，我们使用了ESP8266模块，它是一款性价比极高的WIFI串口模块。很容易就能实现TCP或UDP的通信。这里将其配置为TCP服务端，安卓手机配置为TCP客户端。使用AndroidStudio编写安卓端，如图2-3。

图2-3 安卓端界面

其中，中间的拨动开关可以切换自动/手动模式，在手动模式下，摇杆和右边的四个按钮才可用，摇杆可以轻易控制机械臂运动，而四个按钮可以完成四个预置动作（即四个黑块位置的点击）。


三、系统测试
--------------------------------------------------------------------------------------
1．测试方法
取游戏中的“经典”模式，设置黑块数量为50，,计时点击50个方块，测试所耗时间，总点击次数，未点击到的次数和错误次数。

测试器材与软件：红米Note4X，别踩白块儿 v4.0.3 ，白块机器人。

2．测试结果
结果如表3-1：

测试次数	总点击次数	未点到	错误	成功点击	耗时/s
1	57	7	0	50	26.754
2	61	11	0	50	29.231
3	28	0	1	27	---

表3-1 测试结果

从测试结果中可以看出，本系统的准确度尚可，但是灵敏度一般。猜想错误发生是因为环境光照的影响，使系统对黑块位置判断错误。


四、附录
--------------------------------------------------------------------------------------

视频链接     ：https://www.bilibili.com/video/av14545580/
下位机项目源代码：https://github.com/kuzen/PianoBot
上位机项目源代码：https://github.com/kuzen/AndroidPianoBot