自主式移動(dòng)機(jī)器人無線控制實(shí)現(xiàn)

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用自主式移動(dòng)機(jī)器人的無線控制實(shí)現(xiàn)The Realization of Wireless Control on Autonomous Mobile Robot同濟(jì)大學(xué)信息與控制工程系<200092）陳華東周健蔣平【摘要】如何提高自主式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)各種傳感器信息的處理能力是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。在機(jī)器人自身有限負(fù)重能力情況下，通過無線通信方式，借助外部計(jì)算機(jī)和工作站處理傳感器信息成為一種可行方案。本文以一種輪式移動(dòng)機(jī)器人作為控制平臺(tái)，成功地實(shí)現(xiàn)了自主式移動(dòng)機(jī)器人的無線控制。 b5E2RGbCAP 【關(guān)鍵詞】機(jī)器人，控制，無線，通信Abstract:Itisa keytech

2、nologyhow toimprovetheabilityofautonomousmobilerobottoprocessinformationfromsensors.Undertheconditionof itslimitedloadability,itis possibleforrobotto processtheinformationthroughothercomputerorworkstationviawirelesscommunication.Thispaperdescribestheimplementationofwirelesscontrolbasedona wheeledmob

3、ilerobot.p1EanqFDPwKey words: robot, control, wireless, communication1. 引言自主式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)對(duì)外界環(huán)境高度開放的智能系統(tǒng)，能夠按照預(yù)先給定的任務(wù)指令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)中不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，自動(dòng)避開障礙物，引導(dǎo)自身安全行駛到指定的目標(biāo)，執(zhí)行要求的動(dòng)作和操作。它與固定式機(jī)械手相比具有更廣闊的運(yùn)動(dòng)空間，更強(qiáng)的靈活性。移動(dòng)機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、航空航天以及服務(wù)性行業(yè)，如工業(yè)上危險(xiǎn)地區(qū)的標(biāo)本采樣和故障處理、國(guó)防上無人駕駛戰(zhàn)車等。隨著人口老化和工作、生活節(jié)奏的加快，

4、人類在服務(wù)性行業(yè)迫切需要助手。無論是家庭、醫(yī)院，還是在賓館、商店，都有移動(dòng)機(jī)器人的用武之地。全球來看，美國(guó)的火星登陸者和日本的無人看護(hù)病房已走在前列。12 DXDiTa9E3d近年來，在機(jī)器人和自動(dòng)化領(lǐng)域里移動(dòng)機(jī)器人的研究吸引了眾多研究者的注意力，其中輪式移動(dòng)機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)成為受到歡迎的控制平臺(tái)。另外一方面，移動(dòng)機(jī)器人在與外部的通信方式選擇上，由于其具有廣闊的運(yùn)動(dòng)空間，無線通信成為移動(dòng)機(jī)器人所必須具備的通信方式。在這種背景下，有關(guān)機(jī)器人無線控制的課題便應(yīng)運(yùn)而生。本文以一種輪式移動(dòng)機(jī)器人作為控制平臺(tái)，在計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無線通信進(jìn)而通過單片機(jī)與機(jī)器人之間的接口，成功地實(shí)現(xiàn)了無線

5、方式控制移動(dòng)機(jī)器人。RTCrpUDGiT2. 機(jī)器人平臺(tái)實(shí)驗(yàn)中采用能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人作為控制平臺(tái)。該機(jī)器人與傳統(tǒng)意義上的工業(yè)機(jī)器人不同，體積微小，外形呈宇宙飛船形，直徑約30cm，重量?jī)H 1kg。該機(jī)器人采用Motorola 單片機(jī) 68HC11作為微控制器，主要具有如下特點(diǎn)：5PCzVD7HxA1屬輪式移動(dòng)機(jī)器人，采用左右兩輪驅(qū)動(dòng)，前后兩輪隨動(dòng)。當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速相等轉(zhuǎn)向相同時(shí)，機(jī)器人沿直線行走；當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速相等轉(zhuǎn)向相反時(shí)，機(jī)器人沿原地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速不等轉(zhuǎn)向相同時(shí)，機(jī)器人沿弧線行走。電機(jī)偏差可通過在軟件中設(shè)置偏置量得到校正。jLBHrnAILg1 / 7個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用2 機(jī)器人帶有自己的專

6、用開發(fā)系統(tǒng)，即交互式C語言 <簡(jiǎn)稱 JC）。 JC由兩部分組成：編譯環(huán)境 <包含交互式命令行編輯和調(diào)試功能）和機(jī)器人操作系統(tǒng)。JC實(shí)現(xiàn)了 C語言的一個(gè)子集，它包括控制語句<for,while,ifelse）局部變量和全局變量，數(shù)組，指針，結(jié)構(gòu)體，16位和 32位整數(shù)，和 32位浮點(diǎn)數(shù)。 JC的一大優(yōu)點(diǎn)是支持多任務(wù)程序的運(yùn)行。68HC11支持串口功能，只需要在 PC機(jī)上運(yùn)用 JC編程，通過串口線下載到機(jī)器人上后，拔掉串口線，機(jī)器人即可自主運(yùn)行。 xHAQX74J0X3機(jī)器人帶有一定數(shù)量的傳感器，初步具有感知周圍環(huán)境的能力。機(jī)器人上帶有碰撞傳感器 <bumper），光敏傳感

7、器，主動(dòng)式紅外測(cè)障傳感器，旋轉(zhuǎn)角度編碼器和麥克風(fēng)。其中麥克風(fēng)沒有方向性，能感知聲音的強(qiáng)弱；光敏傳感器能感知所在方向上的光強(qiáng)；主動(dòng)式紅外測(cè)障傳感器能感知前方 40厘 M 以內(nèi)的障礙物。碰撞傳感器有效范圍最小，能感受到四個(gè)方向上的碰撞；旋轉(zhuǎn)角度編碼器不是用于探測(cè)外部環(huán)境，而是測(cè)量輪子旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)。 LDAYtRyKfE機(jī)器人僅依靠初始程序和自身傳感器來運(yùn)行，已具自主式移動(dòng)機(jī)器人雛形。為了讓機(jī)器人更準(zhǔn)確地感知周圍的局部環(huán)境信息，機(jī)器人往往需要處理周圍的語音信息和圖像信息。對(duì)這類信息的處理，一般有兩種方式：<1）機(jī)器人用自己的“大腦 ”處理這些信息，然后分析、判斷、執(zhí)行動(dòng)作，但這需要機(jī)器人具有功

8、能強(qiáng)大的“大腦 ”；<2 ）機(jī)器人再添加一個(gè)“大腦 ”來處理這些信息，最后在幾個(gè)“大腦 ”之間通信就行了。實(shí)驗(yàn)中，由于機(jī)器人自己的 “大腦 ”還不夠十分強(qiáng)大，不具有處理圖像等復(fù)雜信息的功能，我們利用計(jì)算機(jī)來處理這類信息，然后計(jì)算機(jī)通過無線通信以控制指令的形式將這些信息傳給機(jī)器人，同時(shí)機(jī)器人響應(yīng)計(jì)算機(jī)以確認(rèn)信息。Zzz6ZB2Ltk機(jī)器人設(shè)計(jì)了硬件擴(kuò)展總線ASBUS ，這樣為機(jī)器人功能擴(kuò)展提供了方便，也為計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人提供了前提條件。硬件擴(kuò)展總線ASBUS 共提供了二十多條信號(hào)線，實(shí)驗(yàn)中將用到下面一些信號(hào)線：dvzfvkwMI1VCC ： +5V 電源GND ：地PC0 PC7：數(shù)據(jù)總線

9、IS0 IS3：輸入選擇線0-3OS0 OS3：輸出選擇線0-3PA1PA2：輸入捕捉口PA3：輸出比較口3. 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)間的無線通信3.1 無線通信模塊計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的通信，考慮到自主式移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，無線通信是較為理想的通信方式。實(shí)驗(yàn)中，無線收發(fā)模塊采用基于RF401無線通訊單片機(jī)的 PTR2000 微小型、低功耗、高速率 19.2K 無線收發(fā)數(shù)傳 MODEM 。該無線收發(fā)模塊主要有以下特性：rqyn14ZNXI1 體積微小，約 40mm*27mm*5mm ，且接收發(fā)射合一。2 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433MHz ， FSK調(diào)制，工作電壓 2.75.25v ，功耗小，使用無需申

10、請(qǐng)?jiān)S可證。EmxvxOtOco3 工作最高速率可達(dá) 20kbit/s，也可在較低速率如4800bps、 9600bps下工作，無需設(shè)置模塊通信速率。SixE22 / 7個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用yXPq5PTR2000 模塊共有七個(gè)引腳，分別定義如下：VCC ：正電源，接2.75.25VCS：頻道選擇， CS=0選擇工作頻道1， 433.92MHz ， CS=1選擇工作頻道 2， 434.33MHz 6ewMyirQFLDO：數(shù)據(jù)輸出DI ：數(shù)據(jù)輸入GND ：電源地PWR ：節(jié)能控制， PWR=1 正常工作狀態(tài)，PWR=0 待機(jī)微功耗狀態(tài)TXEN ：發(fā)射接收控制，TXEN=1 時(shí)模塊為發(fā)射狀態(tài)，

11、TXEN=0 時(shí)模塊為接收狀態(tài)3.2 無線通信協(xié)議及校驗(yàn)沒有信號(hào)時(shí)， PTR2000 的串口輸出是隨機(jī)數(shù)據(jù)，因此需要定義一個(gè)簡(jiǎn)單的指令協(xié)議，如在發(fā)送時(shí)在有效數(shù)據(jù)前加幾個(gè)字節(jié)的固定起始字節(jié)，在接收一方的軟件中，檢測(cè)到該固定標(biāo)志后作為正式數(shù)據(jù)的開始。本實(shí)驗(yàn)中，傳輸協(xié)議定義為：kavU42VRUs開始 1 開始 2 開始 3數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2數(shù)據(jù) 3 8位校驗(yàn) 數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志 其中開始 1 是 0XFF，開始2 是 0XFF，開始3 是 0X00。選擇它們作為有效包開始的原因是：測(cè)試和實(shí)驗(yàn)表明，255<0XFF）后跟 0<0X00）在噪聲中不容易發(fā)生。實(shí)驗(yàn)中通信有效數(shù)據(jù)有三個(gè)字節(jié)，分別表示

12、能力風(fēng)暴機(jī)器人的控制命令、平移速度和旋轉(zhuǎn)速度。機(jī)器人的控制命令定義為：0b00000001 表示前進(jìn)， 0b00000010表示左轉(zhuǎn)，0b00000100表示后退， 0b00001000 表示右轉(zhuǎn)， 0b00000000表示暫停，等等。平移速度和旋轉(zhuǎn)速度分別取0到100之間任一值，表示 0到 1m/s之間的一個(gè)速度。需要指出的是，通信中的有效數(shù)據(jù)可根據(jù)需要任意擴(kuò)展。 8 位校驗(yàn)是對(duì)通信中有效數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中用“”作為數(shù)據(jù)收發(fā)結(jié)束標(biāo)志。 y6v3ALoS89無線通信中信道的不確定性決定了對(duì)其必須進(jìn)行通信校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用CRC校驗(yàn) 3 。在各種校驗(yàn)方法中，奇偶校驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)，但卻是最不可靠的，因其

13、只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤。校驗(yàn)和能夠檢測(cè)到比奇偶校驗(yàn)更多的錯(cuò)誤，但當(dāng)字節(jié)順序顛倒時(shí)，校驗(yàn)和不能發(fā)現(xiàn)，因其不能發(fā)現(xiàn)次序錯(cuò)誤。 CRC比校驗(yàn)和可靠。實(shí)驗(yàn)中生成多項(xiàng)式862G<X） = X +X +X+1，最后生成 8位校驗(yàn)數(shù)據(jù)。單片機(jī)是匯編語言環(huán)境編程, 計(jì)算機(jī)采用的則是Visual Basic語言環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中為了提高通信 的實(shí)時(shí)性，CRC校 驗(yàn)采用了生 成CRC校驗(yàn)表的方法，即從0到255生成 256個(gè)字節(jié)組成的 CRC校驗(yàn)表，放在一數(shù)組中，在CRC校驗(yàn)表生成后，對(duì)通信 數(shù) 據(jù)的有效 數(shù)據(jù)只需進(jìn) 行查表工作，即可生成通信數(shù)據(jù)中的8位 CRC校驗(yàn)碼。下面寫出了CRC校驗(yàn)表的 VB 生成程序 ,生成

14、的校驗(yàn)表放在數(shù)組 crctable(> 中。 M2ub6vSTnPFor i = 0 To 255 Step 1count = iFor j = 0 To 7 Step 1If (count And &H80> = 0 Thencount = count * 2 ' 用乘 2來實(shí)現(xiàn)位的左移Elsecount = count - &H808+X6+X2+1異或 0YujCfmUCwcount = (count * 2> Xor &H45 ' 與生成多項(xiàng)式 g(x>= XEnd IfNext j3 / 7個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用crc

15、table(i> = countNext i3.3計(jì)算機(jī)與 2051 間的無線通信實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè) PTR2000模塊用于計(jì)算機(jī)串口與單片機(jī)2051之間進(jìn)行無線通信。單片機(jī)2051支持串口通信功能，性價(jià)比高，是計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的理想中介4 。 PTR2000 模塊與計(jì)算機(jī)串口的連接中，由于 PTR2000 模塊支持 TTL 電平，計(jì)算機(jī)串口的RXD 和 TXD 線需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換5 后分別與 PTR2000模塊的 DO和 DI 相連。 PTR2000 模塊與單 片機(jī)2051的連接中，PTR2000 模塊的 DO 和 DI 分別與單片機(jī)2051的 RXD(P3.0> 和 TXD(P3.1&g

16、t; 連接。計(jì)算機(jī)和單片機(jī) 2051與對(duì)方的通信流程分別見圖1和圖 2。 eUts8ZQVRd單片機(jī) 2051可直接通過將P3.7位置 1或置 0 而將無線收發(fā)模塊置于發(fā)射或接收狀態(tài)。計(jì)算機(jī)串口對(duì)無線收發(fā)模塊收- 發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的控制，由于實(shí)驗(yàn)中計(jì)算機(jī)采用的是Visual Basic 6.0的開發(fā)環(huán)境，可通過設(shè)置MSComm控件的 RTSEnable 屬性 6來實(shí)現(xiàn)。RTSEnble 屬性設(shè)為 False 時(shí)，串中RTS 輸出高電平，電平轉(zhuǎn)換后將PTR2000 置為發(fā)射狀態(tài)； RTSEnble 屬性設(shè)為 True 時(shí)，串口 RTS輸出低電平，電平轉(zhuǎn)換后將PTR2000 置為接收狀態(tài)。計(jì)算機(jī)與單片機(jī)

17、的通信速率約定為9600bps ，為了獲得精確的波特率，2051選用11.0592M 的晶振。 sQsAEJkW5TGMsIasNXkA串口端口初始化等待控制命令TIrRGchYzg收到控制命令后，生成信息發(fā)送數(shù)組檢測(cè)是否收到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)由信息發(fā)送數(shù)組生成CRC校驗(yàn)位，一起組成數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)組收到數(shù)據(jù)嗎？是否打開串口發(fā)送數(shù)據(jù)檢測(cè)單片機(jī)數(shù)據(jù)返回有數(shù)據(jù)返回否嗎？是否返回正確信息嗎？是4 / 7將數(shù)據(jù)放入內(nèi)存，取出信息數(shù)據(jù)生成 CRC 校驗(yàn)位，與收到的校驗(yàn)位比較兩個(gè)校驗(yàn)數(shù)據(jù)否一致嗎？是將數(shù)據(jù)送至機(jī)器人，向計(jì)算機(jī)并向計(jì)算機(jī)返回正確返回錯(cuò)誤信息信息個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用圖 1 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信流程圖 2

18、單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信流程4. 機(jī)器人與單片機(jī)間的通信由機(jī)器人硬件擴(kuò)展總線 ASBUS 可知，機(jī)器人提供了 8位的數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展口，由此可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī) 2051的通信。機(jī)器人的 PC0 PC7經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器后分別與 2051 的 P1.0 P1.7連接，之所以用到數(shù)據(jù)鎖存器，是因?yàn)闄C(jī)器人提供的數(shù)據(jù)擴(kuò)展口是總線口，而不是具有保持功能的 I/O 口，因此數(shù)據(jù)交換時(shí)，必須進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。另外，機(jī)器人提供了輸入捕捉擴(kuò)展口 PA1、PA2和輸出比較擴(kuò)展口PA3，實(shí)驗(yàn)中取 PA1和PA3分別與單片機(jī)2051的 P3.4和 P3.2相連，構(gòu)成通信握手信號(hào)。單片機(jī)2051和機(jī)器人與對(duì)方的通信是雙向的，下面以單片機(jī)向機(jī)

19、器人發(fā)送數(shù)據(jù)為例，作出單片機(jī)2051和機(jī)器人與對(duì)方的通信流程分別見圖3和圖 4。 7EqZcWLZNXlzq7IGf02EP3.4=1,向機(jī)器人發(fā)檢測(cè) PA1握手信號(hào)否檢測(cè)機(jī)器人握手信PA1=1?號(hào) P3.2是否PA3=1, 并接收單P3.2=1?片機(jī)數(shù)據(jù)是P3.4=0, 并向機(jī)器人發(fā)否收到數(shù)據(jù) ?送數(shù)據(jù) ,后檢測(cè) P3.2是否PA3=0,通知單片P3.2=0?機(jī)已接收數(shù)據(jù)是否否數(shù)據(jù)發(fā)送完 ?數(shù)據(jù)接收完 ?是是執(zhí)行下面程序機(jī)器人處理程序圖 3 單片機(jī)與機(jī)器人通信流程圖 4 機(jī)器人與單片機(jī)通信流程5. 機(jī)器人無線控制的實(shí)現(xiàn)基于上面的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的無線通信和單片機(jī)與機(jī)器人之間的通信，設(shè)計(jì)無線

20、5 / 7個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用控制機(jī)器人的總體框架如圖5所示。 zvpgeqJ1hk無線通信計(jì)算機(jī)無線收無線收單片機(jī)機(jī)器人發(fā)模塊 1發(fā)模塊 2電平轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鎖存圖 5 計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)從圖中數(shù)據(jù)流向<箭頭方向）可看出，整個(gè)通信過程均是雙向的。計(jì)算機(jī)可用VB 控件制作一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制界面，在此界面上，可非常方便地設(shè)定機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)時(shí)地控制機(jī)器人前行、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)以及運(yùn)動(dòng)的停止。NrpoJac3v1機(jī)器人主程序如下所示，非常簡(jiǎn)單：void main ( >start-process (billiards_drive(>> 。start-p

21、rocess(billiards_bmp(>> 。start-process(billiards_command(>> 。其中 billiards_drive(>為電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)程，billiards_bmp(>為碰撞處理進(jìn)程，billiards_command(>為響應(yīng)計(jì)算機(jī)命令進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行5毫秒，然后交給下一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行，這樣便實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)設(shè)置，也以后程序擴(kuò)展提供了方便。在這個(gè)程序里，碰撞處理要優(yōu)先于計(jì)算機(jī)命令的響應(yīng)：一旦機(jī)器人遇上障礙物，機(jī)器人馬上停下來，即使計(jì)算機(jī)命令機(jī)器人繼續(xù)前行，機(jī)器人也不予“理睬 ”。碰撞檢測(cè)通過讀取碰撞傳感器檢測(cè)函數(shù) bumper(>即可。以后還可以加上紅外傳感器處理進(jìn)