基于手持设备的智能球研究与设计

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1、基于手持设备的智能球研究与设计球形运动装置具有良好的动静态稳定性和运动灵活性,能够在比其直径略大的狭窄弯曲空间内运动,即使与其他物体发生碰撞或跌落,也可以自动恢复稳定状态,不会像轮式、足式、履带式等传统移动装置那样发生翻车问题，因此在复杂未知环境中应用优势显著。本文对球形运动装置的运动原理、可控制性等内容进行了研究，设计了基于智能手持设备的智能球控制系统，可将现实世界和虚拟世界的游戏结合起来，带来一种融合虚拟与现实的体验。论文关键词：智能球,蓝牙技术,速度逆解,非完整约束系统
球形运动装置是最近十几年出现的一种新型移动结构形式,它的典型特征是具有一个球

2、形外壳且将其运动机构、控制系统、电源等都包含在球形外壳的内部,通过重心偏移、动量守恒等内部驱动方式实现可控运动。球形运动装置具有良好的动静态稳定性和运动灵活性,能够在比其直径略大的狭窄弯曲空间内运动,即使与其他物体发生碰撞或跌落,也可以自动恢复稳定状态,不会像轮式、足式、履带式等传统移动装置那样发生翻车问题，因此在复杂未知环境中应用优势显著。
1相关工作
一般认为第一个真正的球形运动装置是由Halme等于1996年设计完成的，这个球形装置利用一个可在球壳内滚动的带有支撑杆的内驱动机构打破系统的平衡,实现装置的全向运动[1]。Halme等人分析了该装置的

3、越障、爬坡等运动性能，但这个球形运动装置的运动可控性与稳定性较差。Bicchi等设计的球形运动装置是放置一辆双轮小车于空球壳中，利用小车运动打破装置内部的平衡从而使装置运动,他们只做了简单的仿真,没有实验结果。Bhattacharya等设计了一个具有对称结构的球形运动装置，与球壳相连接的两个相互垂直的电机驱动转子高速旋转,由于角动量守恒导致球壳反向转动,由此产生装置的运动,仿真和实验结果表明该球形装置的运动精度比较差[2]。Mukherjee等提出了一种球形运动装置的概念设计,其内部从球心位置伸出4根辐条,盘式电机控制重物沿着辐条运动改变球的重心,实现

4、球形运动装置的全方位运动,球壳内部的支撑腿和摄像机可从球壳内伸出,完成战场侦察、环境探测等任务[3]。Javadi等设计的球形运动装置也是通过调整4根辐条上的配重来改变球形运动装置的重心,但辐条的布置方式不同,他们只在很小的运动范围内进行了仿真和实验[4]。2004年瑞典的Rotundus公司推出了用于军事侦察与监视用的Rotundus系列球形运动装置。Rotundus的内部设有一根中轴,中轴上悬挂一个摆块,在电机的驱动下,摆块向前(或向后)摆动时球形运动装置滚动前进(或后退),摆块向侧方移动时则进行转向[5]。Rotundus内部可安装相机、无线电通

5、信设备等部件,可在一定距离范围内为使用人员采集和传输特定区域的信息。孙汉旭等设计了一个类似万向节结构的全方位运动球形装置,通过两个垂直轴上布置的电机调整配重位置的方式来实现球形装置的全方位运动。战强等设计了两种不同结构的、直线运动与转弯运动解耦的球形运动装置,通过两个电机分别驱动重物实现重心偏移,使球形运动装置实现直线和转弯运动[6]。
2智能球控制系统
智能球控制系统是基于Android和蓝牙功能的终端进行通信,终端安装了应用控制软件,可以进行数据传输。利用蓝牙遥控智能球的行走，以蓝牙作为客户端，智能球上的蓝牙模块作为服务端，通过串口仿真协议进行通信

6、。它具有编程灵活、自由、易于控制、稳定性能好、扩展容易等优点。实现了智能球的前行、倒退、左转、右转和停止等功能，将变身为遥控器，为人们的带来方便。
2．1客户端设计
客户端设计采用的是Eclipse开发环境，Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台，还需要为Eclipse安装一个开发J2ME程序的EclipseMe插件，为了在电脑上方便模拟自己开发的程序，还需要安装无线开发工具otioncontrolofasphericalmobilerobot[C]∥4thIEEEInternationalotionControlAMC96.1

7、996:100-106.[2]BicchiA,BalluchA,PrattichizzoD,etal.IntroducingtheSPHERICLE:anexperimentaltestbedforresearchandteachinginnonholonomy[C]∥Proceedingsofthe1997IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAu2tomation.1995:2620-2625.