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本文引用格式：LI Ming-yang. Design of Two-wheeled Mobile Control Robot with Holographic Projection[J]. 新型工业化，2016，6（8）：54-64.
DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.08.008
全息投影二轮移动机器人的设计
李明洋
北京理工大学，北京100081
摘要在本文中，我们设计了一款可以通过Android手机控制的两轮移动机器人。通过Android软件控制机器人的方式便于使用，而两轮移动机器人拥有适应性和灵活性的特点。作为一个平台，该机器人可以通过将其与不同的附加模块相结合来完成一系列功能。因此，这种机器人具有显著的传播价值和应用前景。关于机器人的控制原理：通过调整两个隔离电机的旋转方向，可以保持机器人的平衡。通过改变机器人的倾角，换句话说，改变电动机的转速，我们可以控制机器人的速度。通过控制两个电动机之间的速度差，我们可以调整机器人的方向。所有控制都依赖于光学编码器，陀螺仪和加速度计提供的反馈。对于人机交互功能，我们完成了基于蓝牙功能的人机交互，并且我们设计了一个Android软件用于控制机器人。通过实验，我们确定机器人可以保持自身平衡，并且可以通过Android软件控制移动到特定的方向。最后，我们在机器人的投射设备上建立了小规模的全息摄像头，并且讨论了它的前景。
关键字 移动控制机器人、安卓、人机交互、全息投影
引言随着科学技术的发展，机器人技术在人们的生活和生产中扮演着越来越重要的角色。机器人集机械，计算机，电子，物理，控制，人工智能等技术与一体的综合应用平台。轮式机器人是机器人领域的一个重要分支，运行稳定，能效高，机构简单，环境适应性强，应用前景广阔。两轮自平衡机器人就是一种轮式机器人，其结构为：同轴两轮并且独立驱动。通过改变和调节机器人内部的电机输出来维持动态平衡，实现直立行走、转向以及其他动作。与传统的三轮和四轮机器人相比，两轮自平衡机器人具有以下突出优点：第一：操作灵活，动作敏捷，并且可以实现原地转向;第二：占地面积小，能在狭窄的空间中行走;第三：机器人结构简单，易于控制。
目前人机交互使用的主流方式在很大程度上取决于图形用户界面或多媒体用户界面。与传统的命令界面相比，用户界面使用起来更直观。然而，这种类型的交互仍然使用键盘，鼠标和其他常规输入设备，这是低效的并且缺乏灵活性。理想的互动系统应该具有非常友好的用户界面和通用的便携性。基于Android手机平台，利用软件开发实现与手机界面的人机交互，可以很好地实现目标。另外，基于java语言的Android开发，提供了一个通用的应用程序编程接口，使开发更加简单、用时更短。目前在互联网市场上，各种基于Android平台的应用层出不穷，让人们感受到电子时代的乐趣和便利。在工作和生活的各个方面都有非常广阔的前景。
根据上述分析，我们设计并制作了一个基于手机控制的两轮机器人原型。 我们将该平台与全息投影技术相结合，对该平台的应用前景进行了初步探索。 即通过两轮机器人手机控制软件控制并显示其三维图像，我们还调查研究了两轮机器人在未来实现动态实物表示的可能性。
本文组织如下：首先，我们介绍两轮机器人的总体设计。其次，通过机器人技术和三维图像显示技术结合的前景调查，我们详细具体的展示了机器人的硬件和软件系统设计。 最后，我们做了一个总结和展望。
机器人总体设计
1.1设计要求分析：
根据设计目的，我们总结认为机器人应具有以下特点和功能：
1.机器人是一种双轮机器人。
2.当机器人相对静止时，它可以保持均匀。
3.当机器人处于运动状态时，可以实现前进，后退，左转，右转和其他行动。
4.机器人依靠Android手机软件来控制运动，即控制静态和运动模式的状态。
5.机器人作为安装模块可以成为实现独立功能的平台。
1.2总体设计：
为了达到目标，在机械结构上，我们采用了车轮同轴结构支承机器人。同时，当我们建立系统时，尽可能降低重心。在电子系统上，我们使用XS128单片机作为机器人系统的控制中心来处理每个子系统的信息并协调其工作。在电机驱动器上，我们选择了两个BTN7970用来驱动车轮转弯。在运动控制上，我们采用光学编码器，并使用加速度传感器和陀螺仪
作为确定机器人运动状态的传感器，并为微控制器提供决策参数。
在人机交互上，我们使用Android手机软件作为交互界面，并通过HC-06蓝牙模块进行人机通信，向机器人传达指令。
按照设计和说明，我们设计出机器人系统图如下（图1）：
图1：系统示意图
2机器人分系统设计
2.1电力系统
电源系统提供7.2V电压，并且电源直接提供给电机和转向引擎。 同时，我们使用高功率稳压器为单片机和其他传感器供电。
2.1.1单片机电源调节器模块
XS128微控制器和其他模块的主板需要5V电压，因此为了确保微控制器和其他模块的正常工作，我们需要电压调节器模块来降低电压。
我们使用LM2596芯片为微控制器供电。 LM2596系列是一款3A输出电流降压型开关稳压集成芯片，它包含一个固定频率的振荡器（150KHZ）和参考电压调节器（1.23V），并具有完善的保护电路如限流，热关断电路等。电源供应示意图如下图所示（图2）。
图2.电路原理图
2.1.2陀螺仪和加速度计的功率调节器模块
为确保为加速度计和陀螺仪提供5V稳压电源，我们采用模块LM2940（最大工作电流1A，可输出稳定电压的低压差三端稳压器）实现从7.2V到5V的转换。 操作原理图如下（图3）。
图3.电路原理图
2.2驱动系统
我们使用专用芯片BTN7970作为电机驱动芯片。 四个BTN7970分别安装了两个H桥，用于控制左右电机和输出PWM波，从而使机器人的两个车轮分开控制。 这种驱动方式具有电流大，操作方便，稳定性好等诸多优点。 系统电路如下（图4）。
图4.电路原理图
2.3机器人运动控制系统
机器人直立和运动的控制来自两个轮子;同时轮子由两个直流电机供电。因此，从控制的角度来看，作为要控制的对象，机器人的控制输入是两个电机速度。
机器人的控制运动可以归纳如下：
机器人平衡：通过控制两个电机正转和反转来保持机器人的平衡。
控制机器人移动速度：通过调整机器人的倾斜度来实现速度控制，即通过控制电机转速来实现轮速控制。
控制机器人运动方向：通过控制两台电机之间的差速器转动速度来实现机器人的转弯控制。
在实际的控制过程中，控制机器人运动状态的信号叠加在一起输入到电机中。因此，只要电动机在线性状态下工作，我们就可以控制机器人的平衡和方向。
2.3.1平衡控制
机器人的平衡控制是通过负反馈机制来实现的。由于机器人只能在车轮滚动方向上进行倾斜，所以我们很容易控制轮子的旋转来抵消可能造成机器人平衡倾斜的趋势（一维），以确保机器人直立。
2.3.2加速度
加速度传感器可以测量重力加速度或物体移动产生的加速度。 它体积小，重量轻，适合放置在小型两轮机器人上。
为了计算机器人的倾斜度，只需要测量一个方向上的加速度。该设计选择了Z轴（垂直轴）方向上的加速度信号。 当机器人直立时，Z轴方向垂直，然后加速度传感器的输出信号为零偏压。 当机器人倾斜时，它会在Z轴方向上形成重力加速度分量，导致加速度传感器输出电压改变。
实际上，由于机器人挥杆本身产生的Z轴方向的加速度，加速度传感器会产生较大的干扰信号，导致机器人无法获得准确的倾斜信息。 为了获得关于倾斜的信息，还需要使用作为陀螺仪的角速度传感器。
2.3.3角速度传感器（陀螺仪）
陀螺仪可以用来测量物体的旋转角度。 由于旋转坐标系中的物体遵循科里奥利力的原理，所以可以将压电陶瓷制成振动元件。 当部件旋转时，可以测量响应振动频率变化的物体的角速度。 然后我们可以整合加速度信号，从而可以计算机器人的电流倾斜度（图5）。
图5.反馈电路
由于陀螺仪的输出信号代表机器人的角速度，它不受身体运动的影响，所以信号噪音很小。但角度需要通过角速度进行积分计算，如果在角速度的确定中存在轻微的偏差或漂移，则可能导致积分计算后的累积误差，导致电路饱和，那么需要校对加速度传感器角度信息，并将其与陀螺仪输出相比较，我们将积分轨迹的角度作为角度是从加速度传感器不断的步骤中获得的。为了避免可能出现的故障，可能需要应用一个微分控制器来调节PID项来控制程序中的机器人。实现如下所示（图6）。
图6.陀螺仪系统
在实际控制中，Z轴-T跟踪曲线如下图所示（图7）。
图7.信号曲线
加速度计和陀螺仪电路图如下所示（图8）。
图8.加速度计和陀螺仪电路原理图
2.3.4机器人速度控制：
机器人速度控制是通过控制机器人的倾斜度来实现的。
机器人的车轮转速可以通过安装在电机输出轴上的光学编码器来测量。
电路图如下（图9）。
图9.电路图
通过控制微控制器，并对外部计数器进行统计测量，在固定时间间隔内高速脉冲信号的数量可以反映电机的转速。 通过控制一个给定值的倾斜角度，可以得到一个闭环系统（负反馈图10）。
图10.负反馈系统框图
机器人的倾角是由车轮的运动产生的，所以可以看出车轮速度等于角度变量的导数并乘以机器人的长度。 由于在最初的控制中存在短暂的过渡阶段，所以机器人具有相对小的角度，这导致轮速变化很小，所以可以忽略机器人倾斜导致的车轮加速度。
传递函数：
它有一个一阶极点：
因此，为保证系统的稳定性，我们必须满足机器人角度调整时间常数Tz较大，调整速度平稳慢速，同时反馈比例k的速度较小。
为了达到上述控制过程和要求，可以在编程中改变控制周期，减少信号平滑滤波器的控制参数等。
2.3.5机器人速度的稳定性：
机器人的移动速度取决于定向产生的加速度。 积分倾角可以决定机器人的运动速度，控制方式如图11所示。
图11.控制方式
由于在原始系统中，倾角调整过程的常数通常非常大，因此它可以近似为一个整体部分。 通过组合差动部分和积分部分形成一个环节和比例控制的一部分，我们可以保持控制系统传递函数稳定。
改进的控制模式如下所示（图12）
图12.改进的控制方式
从上图我们可以看出：比例控制参数P和差分控制参数D两个控制参数决定了角度。速度控制也取决于两个参数，称为P和D。使用微分控制，可以增加机器人角度和速度的稳定性，防止控制超调。 在此基础上，然后加入速度误差积分控制，我们可以设定机器人的倾斜量，而积分补偿直接控制PID控制的角度的输出（图13）。
图13.示意图
2.4.1蓝牙模块介绍：
（1）蓝牙技术组件
蓝牙技术由三部分组成：蓝牙无线技术，蓝牙协议栈和蓝牙互操作性。蓝牙无线电通用2.4GHz ISM（工业，科学，医疗）频段，支持全双工传输，采用IEEE 802.15协议。蓝牙设备关闭和打开，具有抗干扰能力，易于使用。蓝牙协议栈包含一个软件堆栈和一个硬件堆栈。蓝牙硬件协议栈由蓝牙硬件提供。蓝牙软件协议栈由蓝牙软件提供。蓝牙软件栈为程序员提供开放使用的Java蓝牙API。蓝牙互操作性包括三个方面：首先，通用访问配置文件定义了设备管理功能;其次，服务发现应用程序配置文件定义了服务发现的内容;第三，串行配置文件定义了设备的互操作性和串行电缆能力的模拟。
（2）蓝牙模块HC-06简介：
采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准。核心串口模块的工作电压为3.3V，底板上一个工作电压在3.1-6.5V之间。 波特率为1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600和115200，可由用户设置。
核心模块尺寸为：28mm * 15mm * 2.35mm。 板子尺寸是27mm * 47mm。
工作电流：匹配时为50MA，匹配通信后为28MA。
休息电流：无需休息。它可以与蓝牙笔记本电脑、蓝牙适配器、PDA等设备无缝连接。
出厂默认参数：从站，波特率：9600 N 8 1密码：1234.蓝牙模块内部参考图如下（图14）
图14.蓝牙模块内部参考图
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2.4.2电话控制软件和程序的设计：
移动交互式软件设计使用E
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