基于Qt的仿蚕机器人上位机软件设计与实现.pdf

193自动化与控制基于Qt的仿蚕机器人上位机软件设计与实现潘雪荧吴庆达（聊城大学东昌学院，聊城2 52 0 0 0）摘要：为了实现仿蚕机器人的远距离控制、监控和数据可视化等功能，基于C+编程语言，使用Qt设计了一款上位机控制软件。该软件实现了以无线通信方式向机器人下发运动控制参数，接收机器人机身传感器数据并进行解析、分析、处理，以及绘制实时运行轨迹等功能。为了实现这些功能，首先构建了仿蚕机器人的控制系统，其次着重阐述了上位机软件的各项功能及其设计与实现过程，最后以仿蚕机器人的蠕动运动控制作为试验对象，验证了上位机下发不同运动控制参数时，对仿蚕机器人蠕动运动的影响，同时验证了该上位机软件功能的有效性。关键词：仿蚕机器人；上位机；控制参数Design and Implementation of Upper Compute Software for Silkworm Imitating Robot Based on QtPAN Xueying,WU Qingda(Liaocheng University Dongchang College,Liaocheng 252000)Abstract:In order to realize the functions of remote control,monitoring and data visualization of silkworm mimicking robot,ahost computer control software is designed based on C+programming language and Qt.The software can transmit motion controlparameters to the robot by wireless communication,receive the sensor data of the robot body,analyze,process,and draw the real-time running track.In order to realize these functions,the control system of the silkworm mimicking robot is first constructed,andthen the functions of the upper computer software as well as the design and implementation process are emphasized.Finally,thecontrol of the creep motion of the silkworm mimicking robot is taken as the test object to verify the influence of different motioncontrol parameters delivered by the upper computer on the creep motion of the silkworm mimicking robot.At the same time,thevalidity of the upper computer software is verified.Keywords:silkworm imitation robot;host computer;control parameter仿蚕机器人是一种靠蠕动运动前进的移动机器人，由多个关节正交模块组成。由于其特殊的运动模式和结构，运动时重心低、与地面接触面积大，因此运动起来非常稳定，具有很强的环境适应性。仿蚕机器人采用模块化的机械结构，每个模块都包括一个俯仰关节和偏航关节，俯仰关节可以实现蠕动运动，偏航关节可以实现婉蜓运动。为了使机器人完成不同形态的运动，需要控制系统实现机器人不同步态的运动形式。由于小型仿蚕机器人需要同时控制4个俯仰舵机、3个偏航舵机和1个柔性腹节驱动器，驱动控制信号的发送和传感器数据的接收应同步进行，实时同步性要求较高。文章基于Qt开发了一款机器人上位机控制界面，主要功能是实现个人计算机（PersonalComputer，PC）端与机器人的通信，通过软件监控仿蚕机器人的控制和运行状态。1系统的整体设计文章所述上位机软件的试验对象是一款模块化设计的仿蚕机器人，如图1所示。它的每一节体节都由一组正交模块组成，每组正交模块包含一个俯仰单元和一个偏航单元，共4组正交模块，能够有效保证其稳定运行。仿蚕机器人全长0.7 0 2 m，直径约0.56 0 m。图1仿蚕机器人1.1硬件结构外围硬件电路的主要模块如表1所示。表1硬件电路清单名称数量主控制板/个1电源/组1舵机/个7通信模块/组1避障模块/组1姿态模块/组1监控模块/组1仿蚕机器人硬件系统的设计方案如图2 所示，主要包括主控制器、电源模块、驱动模块、传感器单元以及视频监控模块等。型号STM32F103RCT61500mAh锂电池LDX-218NRF24L01无线通信模块HC-SR04超声波模块GY-52的MPU6050模块RAK5206的Wi-Fi视频模块194现代制造技术与装备2023年第8 期总第32 1期供电单元实时监控画面运动轨迹实时环境监测传感器单元障碍物实时距离避障模块机器人机身实时倾角头部倾角模块STM32控制器能机驱动PWM波机驱动模块电磁阀开关PWM波柔性驱动模块控制单元1.2软件结构控制系统首先对定时器和系统变量等进行初始化，然后对串口通信、集成电路总线（Inter-IntegratedCircuit，IC）通信、串行外设接口（Serial PeripheralInterface，SP I）通信等接口进行配置。系统进入主循环后，获取传感器数据，等待接收控制指令2 。具体流程如图3所示。开始系统初始化参数设置超声波传感器1接口计算主1通过IC接口获取循MPU6050数据环！通过SPI端口设置NRF24L01模块将传感器数据上传至上位机图3主程序流程文章设计的机器人控制算法的控制参数为A、几、，分别控制机器人蠕动峰值大小、运动方向和传递速度。上位机将这3个参数转化为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，P W M）信号，不同参数会影响仿蚕机器人的驱动角度和速度，以调整机器人的步态。试验测试过程中，会通过上位机发送不同参数，验证不同参数对机器人运行步态的影响，通过试验结果选取控制机器人的最优参数。电源模块程序下载调试接串口调试模块命令数据信息无线通信模块人机交互单元硬件控制系统图2硬件控制系统架构图2仿蚕机器人上位机实现仿蚕机器人上位机控制界面基于Qt进行开发，该上位机软件的主要功能：实现上位机与机器人的通信；设置机器人控制参数；机器人传感器数据信息的传输和显示；监控机器人的行进环境；显示机器人的实时坐标。上位机控制界面方案如图4所示。仿蚕机器人上位机软件通信模块参数设置模块通信方式设置数据接收与解析图4小型仿蚕机器人总体控制方案软件界面设计主要考虑人机交互，为方便软件操作者使用，将各模块功能合理分区，合理布局。软件接收上位机解析控制指令对关指令节驱动器进行驱动视频模块数据存储控制参数输入界面如图5所示。直线转弯入1A1W1.57前进停止位姿传感器角速度义25.78角速度y23.68角速度15.71角加速度油x回0.23角加速度ay0.14角加速度az0.182.1通信模块上位机采用NRF24L01模块的通用串行总线PC控制软件数据显示模块监控模块运动指令发送距离传感器数据显示z=-15.71de/e;角加速度ax=0.23deg/s2,ay-0.14des/s2,az=0.18deg/s*2角速度vx=25.78deg/s,左转右转气压传感器0.01超声波传恩器10.45机器人运动轨迹图5小型仿蚕机器人控制软件位姿传感器数据显示ry-23.68deg/s,z=15.71deg/s;角加速度ax=0.23deg/s*2,ay=0.14des/s2,az=0.18deg/s*2保存窗口串口号波特率115200数据位8停止位1关闭串口串口状态清除窗口CO11已打开1152 0 0 bps监控摄像头195自动化与控制（U n iv e r s a lSe r ia lBu s，U SB）转串口模块通信，主要控制命令的按键为灰色不可用状态，串口打开后使能用于上位机发送运动控制指令及接收下位机收集的传按键，才可以通过按键下发控制指令。感器数据信息。串口通信模块由串口配置、串口开关2.1.2数据接收与解析和数据窗口3部分组成。串口通信模块接收数据后，需要对数据块进行解2.1.1界面显示析，上位机软件收到仿蚕机器人的数据信息后将其转化串口通信首先要使用函数availablePorts获取可用为字符型数据。机器人在运动过程中，接收下位机控制的串口信息列表。串口在接收数据时，通过connect函板发送的传感器信号4。传感器信息的长度为2 1Bytes,数与处理数据的槽函数连接，对接收的数据进行解析，字节0 为前导码，用来判断信号类型；字节1为信号长数据解析后显示在数据窗口区，实现数据的可视化。度，用来判断信号是否丢帧；字节2 0 为尾顿，用来判为了操作安全，设计了串口关闭状态时，控制区下发断信号的完整性。数据信息字节格式如图6 所示。前导码高位低位高位低位0 x55信号长度轴角速度图6 楼数据信息字节格式2.1.3数据存储Protocol，T C P）连接，然后通过QTcpSocket类函数连机器人控制板通过定时器每2 0 ms发送一次传感接网际协议（InternetProtocol，I P）地址为19 2.16 8.1.1、器信号。由于数据量大，内存空间有限，将数据存放端口号为8 0 8 0 的服务器，连接后再执行readAll函数。到链表QList中保存。为了后续试验测试验证，遍历监控模块界面采用QLabel控件对视频进行显示，存放在链表中的数据，并写入文件保存。将视频采集模块作为服务器，PC端作为客户端。令2.2参数设置模块PC端和视频模块处于一个局域网中，访问PC端网址，上位机通过串口通信发送主要控制参数给下位机，然后通过QNetwork模块将视频导入Label5。下位机接收并解析数据，执行相应操作。参数数据的3试验验证与分析长度为9 Bytes，前导码为状态选择位，通过不同前导仿蚕机器人实物如图7 所示。作为上位机平台，码区分机器人的蠕动、转弯两种状态。在参数设置模结合上位机控制软件，根据运动控制函数对其动运块设置控制参数A和的值，根据机器人控制函数解动进行试验验证。试验目的：一是测试上位机软件控算出各正交模块驱动舵机的转动角度，通过控制信号制功能；二是探究运动控制函数对蠕动运动的影响。发送给下位机。2.3数据显示模块实时数据显示是实现数据可视化的重要组成部分，主要包括传感器信号显示和运动轨迹绘制。首先，在链表中提取出传感器数据存放在相应的LineEdit中。其次，根据陀螺仪的数据和运动参数A值、值解算运动轨迹。再次，创建新的QPaintEvent事件类，绘制坐标原点、X坐标轴刻度、Y坐标轴刻度和运动轨迹。最后，定时器QTimer每2 0 ms刷新一次屏幕和刻度线。2.4监控模块为了实现实时环境监控，选用RAK5206模块通过摄像头采集环境图像，配合Wi-Fi模块，确保视频能够在终端设备中播放。上位机软件作为视频模块的客户端，首先要和Wi-Fi模块建立传输控制协议（TransmissionControl高位低位尾帧OxFF气压传感器少轴角速度数据图7 仿蚕机器人试验样机整个运动试验过程在A0标准的方格纸上进行，纸上最小单元为1cm。在方格纸的另一侧固定放置摄像机，记录机器人的运动状况。为了更加直观地表现蠕动过程中波形的传递过程，通过图8 表示一个周期内的连杆关节角度的变化情况。通过上位机软件，设置函数中的参数A、入、。通过控制函数生成的不同俯仰单元舵机的转动角度，改变机器人的蠕动前进动作。由于参数对运动形成的波形没有任何影响，两组参数都选择为1.32。一个蠕动周期为4.6 2 s，只研究波形对蠕动运动的影响。两种参数下的试验结果如图9 所示，可以看到蠕动过196现代制造技术与装备2023年第8 期总第32 1期程中波形传递的过程与控制函数一致，验证了控制函数和控制软件的准确性。PP2014图8 一个蠕动周期内关节角度变化过程T,=1 sT16mmT,=2 s15mmT=3sJ17mmT,=4s13mm元(a)A=6图9 不同控制参数的运动效果图通过试验可以看到不同参数对机器人蠕动运动过程的影响。仿蚕机器人每次蠕动只传递一个波，蠕动前进的距离较短，因此通过多次试验记录与测量后取平均值，测得两种参数下仿蚕机器人在一个蠕动周期内的径向位移和轴向位移，如图10 所示。32-3028262416-141210+10通过径向位移可以看出：A为元/12 时，峰值约为7 mm；A为元/6 时，峰值约为16 mm，证明A值越大，位移峰值越大。通过轴向位移可以看出，A为元/12 时，机器人P;P403204元=1.5,0=1.32(b)A=2=1.0,=1.3212关节3关节1关节2/11115(a)A=36=1.5,0=1.32前进10.5mm；A 为元/6 时，机器人前进2 1mm，证明A值越大，运动波传递的位移越大。通过对比可知，参数T,A影响的是动运动的幅值，A值越大，运动波传递的效率越高，因此速度就越快。当控制参数A为元/12，为1.5时，机器人的移动速度为4.53mms。T,2221201T，19181716T4141131217mm1111I5mm10+T8mm105.5mm图10不同控制参数的机器人位移4结语文章上位机控制界面基于Qt采用C+语言进行开发。该软件通过无线通信和Wi-Fi视频模块实现了机器人的远程操控及运行轨迹和环境的实时监控，基于串口通信模块修改了机器人控制参数，为小型仿蚕机器人控制系统提供了数据支持。文章详述了上位机软件各功能及实现方式，并以仿蚕机器人的运动控制为试验案例，通过上位机软件下发不同运动控制参数，验证了控制参数对仿蚕机器人蠕动运动的影响，同时验证了该上位机功能的实时性和有效性。关节4参考文献11孟令森，吴胜，王永娟.仿蚕机器人的运动特性分析和仿真研究.机械科学与技术，2 0 18（8）：116 1-116 6.2魏武，张占.基于控制函数的蛇形机器人攀爬运动分析J.控制工程，2 0 11（2）：32 2-32 6.3潘雪荧，孟令森，牟奥敏，等.小型仿蚕机器人的运动与控制研究J.机械与电子，2 0 19（9）：6 4-6 8.2025轴向位移/mm元关节3关节4关节11关节211V15轴向位移/mm元(b)A=12304何建仓，侯泽民.嵌入式Qt环境下绘图软件的设计与实现J.软件，2 0 14（5）：45-47.5潘浩达，郑鹏，郑梁，等.基于Qt和Web的工业远程控制系统J.无线电通信技术，2 0 15（6）：8 8-9 1.20元=1.0,0=1.32