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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(shí)，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(dòng)作命令時(shí)，則根據(jù)接收的參數(shù)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或機(jī)械臂抓取爆炸物?？紤]到帶寬原因和控制方面的需求，圖像傳輸模塊與行動(dòng)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(shí)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(dòng)作的控制，包括前進(jìn)、后退等底盤運(yùn)動(dòng)和機(jī)器臂、云臺等舵機(jī)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)時(shí)，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(dòng)情況，以控制機(jī)器人動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)顯示模塊。一個(gè)用來實(shí)時(shí)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(dòng)作。另一個(gè)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(gè)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(dòng)模塊發(fā)送相應(yīng)的命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)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(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂設(shè)計(jì)采用了五自由度結(jié)構(gòu)，由五個(gè)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(gè)抓手，完成升降、抓取、釋放等動(dòng)作，攝像頭云臺采用三個(gè)舵機(jī)，用于調(diào)整攝像頭的位置。機(jī)械驅(qū)動(dòng)模塊由STC11F32XE單片機(jī)與外圍驅(qū)動(dòng)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(dòng)底盤完成機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作，控制舵機(jī)改變轉(zhuǎn)角配合機(jī)械臂和云臺動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，能夠在動(dòng)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(gè)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(dòng)。如果有移動(dòng)，就將各個(gè)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(shí)器是否到時(shí)，如圖2手持設(shè)備端控制軟件流程

　　果時(shí)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(gè)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(gè)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。　

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(gè)部分完成初始化。此時(shí)打開手機(jī)（或PAD）會出現(xiàn)一個(gè)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(shí)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(shí)視頻，操作者移動(dòng)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(dòng)，同時(shí)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(shí)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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