賈永興,，朱瑩，楊宇

　?。ń夥跑娎砉ご髮W(xué) 通信工程學(xué)院,，江蘇 南京 210007）

　　摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套功能高度集成的無線遙控機(jī)器人平臺，由履帶排爆機(jī)器人和手持控制終端組成,。機(jī)器人自身搭載的傳感器可以對環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行偵測,，并發(fā)送給手持終端。手持終端則遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的動作,，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)爆炸物的排除和危險(xiǎn)有害環(huán)境的監(jiān)測,，防止人員遭受傷害。該平臺實(shí)現(xiàn)方案具有成本低,、體積小,、功耗低、可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),。

　　關(guān)鍵詞：履帶式機(jī)器人,；手持終端；遠(yuǎn)程控制,；危險(xiǎn)環(huán)境

0引言

　　近年來,，各種恐怖活動日益猖獗，為了維護(hù)社會穩(wěn)定,，研究開發(fā)反恐防爆技術(shù)和裝備的需求越來越大,。在軍事上,，危險(xiǎn)環(huán)境時刻存在,，如何保證人員的安全，有效地保證戰(zhàn)斗力,，也是亟需解決的問題,。隨著智能控制技術(shù)和傳感器技術(shù)［1］的不斷更新發(fā)展，用機(jī)器來代替人在危險(xiǎn)環(huán)境下工作成為研究熱點(diǎn)［23］,，得到國內(nèi)外的廣泛重視,。本文設(shè)計(jì)和制作完成了一款履帶式機(jī)器人和與之配套的手持控制終端，手持終端根據(jù)機(jī)器人回傳的視頻和傳感器信息,，通過遠(yuǎn)程控制,，驅(qū)動機(jī)器人完成環(huán)境信息的偵測和危險(xiǎn)爆炸物排除,。

1系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)包括履帶排爆機(jī)器人和手持控制終端兩大部分，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,。履帶機(jī)器人由視頻采集傳輸模塊,、機(jī)械模塊、環(huán)境信息感知模塊,、無線通信模塊以及控制模塊構(gòu)成,。首先控制模塊通過無線通信模塊獲取手持設(shè)備發(fā)送的控制命令，當(dāng)命令是讀取命令時,，通過傳感器讀取各類環(huán)境參數(shù)信息,，然后通過無線通信模塊將各類環(huán)境參數(shù)信息發(fā)給控制終端顯示。當(dāng)控制命令是動作命令時,，則根據(jù)接收的參數(shù)控制機(jī)器人運(yùn)動或機(jī)械臂抓取爆炸物,。考慮到帶寬原因和控制方面的需求,，圖像傳輸模塊與行動控制使用不同的無線信道,。視頻采集傳輸模塊采集到圖像后直接交給無線路由器，傳送給手持設(shè)備,，其過程不受主處理器控制,。

　　手控控制終端由控制模塊、搖桿數(shù)據(jù)采集模塊,、顯示模塊及無線通信模塊構(gòu)成,。手控終端首先檢查是否有搖桿狀態(tài)改變，若有就將相應(yīng)控制信息進(jìn)行編碼,，并交由無線通信模塊發(fā)送給機(jī)器人執(zhí)行,。同時終端還會按照固定頻率向機(jī)器人發(fā)送環(huán)境信息讀取命令，并顯示回傳的視頻信息和傳感器信息,。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1手持控制終端

　　手持終端主控核心芯片為STM32F103zet6,，它基于CortexM3架構(gòu)，主頻為72 MHz,，有豐富的外設(shè)資源［4］,。設(shè)計(jì)中主要使用了其A/D接口、GPIO接口,、串口,、SPI接口。其中A/D接口和GPIO接口與搖桿模塊相連,，采集搖桿狀態(tài)信息,；串口與無線模塊相連，發(fā)送命令給無線模塊，并讀取無線模塊接收的傳感器數(shù)據(jù),；SPI接口與液晶模塊相連,，以顯示傳感器數(shù)據(jù)。

　　搖桿模塊主要完成對機(jī)器人機(jī)械動作的控制,，包括前進(jìn),、后退等底盤運(yùn)動和機(jī)器臂、云臺等舵機(jī)運(yùn)動,。搖桿模塊具有兩路模擬輸出,。一路按鈕數(shù)字輸出。當(dāng)搖桿上下左右搖動時,，兩路模擬信號可以輸出不同的電壓值,，主控板根據(jù)通過采集電壓值判讀搖桿的運(yùn)動情況，以控制機(jī)器人動作,。一路數(shù)字輸出主要用來判斷搖桿是否按下（類似按鍵）,。實(shí)現(xiàn)中采用了四個搖桿模塊，以控制機(jī)器人底盤,、機(jī)械臂和攝像頭云臺的動作,。搖桿的模擬輸出與主控板CPU的A/D接口相連，數(shù)字輸出和CPU的GPIO口相連,，以采集搖桿狀態(tài)信息,。

　　無線通信模塊主要完成手持終端和機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括手持設(shè)備控制命令的發(fā)送和接收機(jī)器人返回的傳感器信息,。實(shí)現(xiàn)中采用HC11 無線串口模塊,，通信頻率為433 MHz。硬件上與主控板CPU的串口相連,，工作于半雙工的模式,，比特率為9 600 b/s，頻道為001,。

　　為了遠(yuǎn)程監(jiān)測機(jī)器人所處的環(huán)境信息,，實(shí)現(xiàn)中設(shè)計(jì)了兩個顯示模塊。一個用來實(shí)時顯示機(jī)器人采集回傳的圖像信息,，以便觀察環(huán)境和危險(xiǎn)物的位置,，控制機(jī)器人的動作。另一個用來顯示接收到的傳感器信息,，以觀察機(jī)器人所處環(huán)境信息,。實(shí)現(xiàn)中圖像顯示采用了安裝有火狐瀏覽器的手機(jī),，也可以采用平板電腦或PC,，接收和顯示W(wǎng)iFi傳輸過來的圖像。傳感器狀態(tài)信息的顯示采用了一個TFT液晶屏，它與CPU的SPI接口相連,，顯示傳感器數(shù)據(jù),。

　　2.2履帶機(jī)器人

　　機(jī)器人上的主控板同樣采用基于STM32F103的控制板。通過串口讀取來自無線手持設(shè)備的數(shù)據(jù),，并進(jìn)行解析,，以判斷是機(jī)械操作命令還是讀取傳感器命令。如果是機(jī)械操作命令,，則將給驅(qū)動模塊發(fā)送相應(yīng)的命令,，驅(qū)動機(jī)器人動作。如果是讀取傳感器命令,，則采集傳感器數(shù)據(jù),，并交付給無線發(fā)送模塊，發(fā)送給手持設(shè)備,。

　　機(jī)械部分由機(jī)器人底盤,、機(jī)械臂、攝像頭云臺等部分構(gòu)成［5］,。機(jī)器人底盤由兩個直流電機(jī)驅(qū)動,，機(jī)械臂設(shè)計(jì)采用了五自由度結(jié)構(gòu)，由五個舵機(jī)和連接件構(gòu)成,，并在機(jī)械臂的前端設(shè)計(jì)了一個抓手,，完成升降、抓取,、釋放等動作,，攝像頭云臺采用三個舵機(jī)，用于調(diào)整攝像頭的位置,。機(jī)械驅(qū)動模塊由STC11F32XE單片機(jī)與外圍驅(qū)動電路構(gòu)成,，接收主控板串口發(fā)送的命令，以產(chǎn)生不同占空比的PWM波,，或改變I/O口的輸出方向,，驅(qū)動底盤完成機(jī)器人前進(jìn)、后退,、左轉(zhuǎn),、右轉(zhuǎn)動作，控制舵機(jī)改變轉(zhuǎn)角配合機(jī)械臂和云臺動作,。

　　視頻采集和傳輸模塊主要采集機(jī)器人附近的圖像信息［6］,，并回傳給手持設(shè)備。視頻采集使用了羅技USB攝像頭,，將采集到的圖像數(shù)據(jù)交給無線WiFi路由器,，由路由器發(fā)送出去。無線路由器采用了TPLINK的150M無線路由器TLTLWR703N，工作于無線AP模式,。通過更新組件,，將簡單的無線路由器刷成openwrt，并通過網(wǎng)絡(luò)配置和安裝相應(yīng)的模塊,，使得USB攝像頭數(shù)據(jù)可以直接通過WiFi發(fā)送,。

　　無線通信模塊主要接收手持設(shè)備傳來的控制命令，交付給機(jī)器人主控板,，同時接收主控板交付的傳感器信息,，發(fā)送給手持終端。采用與手持設(shè)備同類型模塊,，與主控板的串口相連,，工作于半雙工的模式。

　　為了感知機(jī)器人所處的環(huán)境狀態(tài),，機(jī)器人上安裝了多種傳感器,，包括數(shù)字式三軸陀螺儀、溫濕度傳感器,、一氧化碳,、有害煙塵濃度、甲烷濃度傳感器,。數(shù)字陀螺儀用于檢測機(jī)器人行進(jìn)時自身的平衡狀態(tài),，采用了高精度陀螺加速度計(jì)MPU6050模塊，與主控板CPU通過串口進(jìn)行通信,，波特率為115 200 b/s,。該模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，配合動態(tài)卡爾曼濾波算法,，能夠在動態(tài)環(huán)境下準(zhǔn)確輸出模塊的當(dāng)前姿態(tài),。通過該模塊發(fā)送至上位機(jī)的角度包，以了解機(jī)器人當(dāng)前姿態(tài),。溫濕度傳感器數(shù)據(jù)輸出與主控板CPU的GPIO口相連,，采用單總線串行數(shù)據(jù)格式，一次通信傳輸5個字節(jié)數(shù)據(jù),，包括2字節(jié)溫度數(shù)據(jù),，2字節(jié)濕度數(shù)據(jù)，1字節(jié)校驗(yàn)和,。有害煙塵、甲烷,、一氧化碳傳感器主要基于氣敏元件對不同類型,、不同濃度的氣體有不同的電阻值,，并以電壓的方式輸出，檢測物濃度越高輸出值越高,。實(shí)現(xiàn)中將這些傳感器與主控板CPU的A/D接口，通過采樣電壓值,，來獲得相應(yīng)的氣體濃度,。

3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件代碼完成系統(tǒng)各部份的控制和通信，在Keil集成環(huán)境下采用C語言編寫,，并通過編譯,、鏈接后，生成目標(biāo)代碼,，通過下載器下載到STM32F103上運(yùn)行,。

　　為保證機(jī)器人和控制終端之間數(shù)據(jù)通信的有序性，采用主從機(jī)的工作方式,，當(dāng)機(jī)器人開機(jī)以后始終處于等待狀態(tài),，等待手持控制終端發(fā)來指令。

　　3.1手持控制終端軟件設(shè)計(jì)

　　手控終端軟件工作具體流程如圖2所示,。通過循環(huán)讀取A/D通道的轉(zhuǎn)換值,，以確定控制搖桿是否有移動。如果有移動,，就將各個通道數(shù)據(jù)編碼為統(tǒng)一的控制數(shù)據(jù)格式,，發(fā)送給機(jī)器人執(zhí)行。如果沒有,，則確認(rèn)定時器是否到時,，如圖2手持設(shè)備端控制軟件流程

　　果時間到，則向機(jī)器人發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)讀取指令,。收到應(yīng)答數(shù)據(jù)包后,，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，如確認(rèn)接收正確,，則對數(shù)據(jù)包分析,，并將攜帶的傳感器信息顯示在液晶屏上。

　　3.2履帶機(jī)器人端軟件設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示,。通過讀取串口判斷是否收到手控終端的命令包,。如果收到數(shù)據(jù)包，則解析命令是機(jī)械操作命令還是讀取傳感器命令,。為了準(zhǔn)確地定位到每個機(jī)械電機(jī)和舵機(jī),，與手控終端搖桿狀態(tài)對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)中對每個電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行了編號,，并作為命令參數(shù)由手控終端發(fā)送,。如果是讀取傳感器命令,，則將傳感器信息編碼打包，通過無線通信模塊發(fā)送給手控終端進(jìn)行顯示,?！?/p>

4系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

　　首先打開機(jī)器人電源，等待機(jī)器人各個部分完成初始化,。此時打開手機(jī)（或PAD）會出現(xiàn)一個名為wifirobotlivking的WiFi熱點(diǎn),，再打開火狐瀏覽器，輸入預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)址,，可在瀏覽器中實(shí)時顯示機(jī)器人采集回傳的視頻,。接著打開機(jī)器人控制終端，液晶屏上會顯示機(jī)器人所采集到的傳感器信息,，包括機(jī)器人當(dāng)前橫向及側(cè)向傾角,、機(jī)器人所處環(huán)境的溫濕度值、有害煙塵濃度值等,。根據(jù)回傳的實(shí)時視頻,，操作者移動手持終端上的搖桿，可以通過無線方式遠(yuǎn)距離遙控機(jī)器人前進(jìn),、后退,、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動,，同時控制機(jī)械臂抓取和釋放物體，以及調(diào)整機(jī)器人安裝的攝像頭云臺轉(zhuǎn)角及俯仰角度確保最佳觀測位置,。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套功能高度集成的無線遙控機(jī)器人平臺,，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控。通過機(jī)器人自身搭載的傳感器可以對目標(biāo)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,，可進(jìn)行危險(xiǎn)爆炸物的排除和對危險(xiǎn)有害環(huán)境的監(jiān)測,。該方案具有成本低、體積小,、功耗低,、可移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。下一步可以完善平臺控制軟件,，增加地址識別功能,，實(shí)現(xiàn)控制多臺機(jī)器人的協(xié)同工作，同時加入GPS導(dǎo)航功能,，使機(jī)器人能夠記住自己的位置與行進(jìn)路線，有一定的自主性,，即使與手控端丟失聯(lián)系,，也能夠自主返回,。

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