基于群體智能的自主機器人設計

臧申俊

0 引 言

隨著科學技術的高度發(fā)展，機器人已經逐步在各行各業(yè)得到廣泛的應用，比如在未知或危險環(huán)境下，多機器人協(xié)同完成任務是最好的選擇。因此，基于移動機器人的研究逐漸成為當前的一大熱點。結合群體智能這個研究方向，設計該自主式機器人，主要目的是設計一群個體功能簡單的機器人，為群體智能方向的研究提供硬件平臺。本文描述的機器人采用的是luminary 的LM3S1968處理器，機器人之間通過Xbee通信模塊進行通信，利用紅外傳感器感來進行蔽障，達到群體協(xié)作共同完成相應的任務。

1 系統(tǒng)硬件的設計

從功能模塊劃分，系統(tǒng)由主控板，功能板和電機電源組成。

1.1 主控板

主控板主要由CPU及其外圍電路，以及一些調試用LED燈和按鍵組成。其電源輸入是由功能板上提供的5V電源，穩(wěn)壓芯片用的是LM1117-3.3V。經過電源轉換后，電源DP3V3穩(wěn)定在3.3V，為整個主控板供電[1]。如圖1所示。

1.1.1 CPU

主控板所選用的CPU是luminary 的LM3S1968。該CPU使用到的功能模塊有：GPIO端口,JTAG接口,定時器模塊,通用異步收發(fā)器等。其他模塊考慮到擴展應用的需要，在主控板上引出了接口，將來的使用者可根據需要進行調整。

圖1 主控板

1.1.2 時鐘晶振

圖2 CPU外部時鐘

CPU內部本身有一個12MHz的內部振蕩器，但頻差較大。因此機器人用的是一個外部的8MHz晶振作時鐘源，電路如圖2。而圖中另一個4.194M的晶振是供休眠模式使用的，在休眠模式中，CPU通過切換成較低頻率的時鐘來達到節(jié)能的目的。

1.1.3 復位電路

CPU的Reset是低電平有效，引腳外接到Reset按鍵，當按鍵按下時引腳輸入低電平，使CPU復位。初始狀態(tài)下復位后的CPU內程序被清空。

1.1.4 LED與按鍵

主控板上的LED燈和按鍵主要是用來作程序調試用的，如圖3和圖4所示。LED在相對應的GPIO輸出為低電平時點亮，燈D1是電源指示燈，D2是休眠模式指示燈，D3～D6是調試用燈；而按鍵電路中，按下按鍵則輸出一個低電平，其中Reset是復位鍵，Wake是休眠模塊用到的，KEY1和KEY2是調試用按鍵。

圖3 LED電路

圖4 按鍵電路

1.1.5 接口

在主控板上一共有一個電源接口、三個雙排插口和四組排針口。如圖1所示。

1.2 功能板

功能板是主控板的控制信號的執(zhí)行者，主要包括電源模塊、紅外測距、電機及驅動、串口等功能塊[2]。如圖5。

圖5 功能板

1.2.1 電源

在功能板上存在著兩種供電電壓，分別為從電源的穩(wěn)壓輸入5V和3.3V，其中3.3V為紅外接收管和串行紅外接口供電，5V為板上的其他設備供電。

1.2.2 紅外測距

圖6 紅外測距模塊電路

如圖6所示，在機器人上一共放置了五對測距紅外，上圖僅代表一對測距紅外和4066模擬開關芯片的聯(lián)接。當前方無障礙物時接收管斷開，輸出一個高電平，當前方有障礙物時發(fā)射管發(fā)射的紅外光反射回來，接收管導通，輸出一個低電平。為了調節(jié)發(fā)射強度，機器人在每個發(fā)射管上都連有一個電位器，可以通過調節(jié)電阻值大小來改變發(fā)射管的發(fā)射強度。

1.2.3 電機

采用四相步進電機，電機的轉速可以通過改變控制引腳狀態(tài)轉變的速度來控制。由于驅動電流過小，電機的四個引腳無法用GPIO口直接驅動，選用BA6845FS芯片驅動[3] ，如圖7所示。

圖7 步進電機驅動電路

1.2.4 串口

圖8 UART與MAX232電路圖

串口部分留出了兩對UART口和一個串行紅外通信模塊。CPU上的UART引腳需要經過232芯片，從TTL信號轉換為RS232信號。串行紅外的通信不需要經過232芯片的轉換，但需要一個集成的串行紅外模塊，電子鼠使用的是類似的HSDL-3600串行紅外通信芯片，芯片連接與3602相同[4]。在使用時，將兩個機器人的紅外通信口相對，即可進行串口的通信。

1.2.5 接口

在功能板上有兩個插口是與主控板相連接的，JP1對應的是主控板上的插口CONNECTOR， JP2對應的是插口UART1&IRC，以及功能板上還有一類接口是連接外部器件。如圖5所示。

2 系統(tǒng)驅動的設計

在這個部分中，將對這機器人的驅動程序進行說明，包括接口、模塊定義和實現(xiàn)等。

2.1 結構體，常量和端口定義

我們在驅動文件中，定義了一些常量和結構體控制機器人的運動，為上層功能提供數(shù)據接口，還定義了GPIO口的控制信號映射關系，以避免每次需要查找電路圖GPIO口連線。

2.2 初始化

在開始使用驅動程序之前，對CPU的時鐘、GPIO、LED燈、紅外測距、電機、定時器等各個模塊進行了初始化。用來記錄電機當前行止狀態(tài)、轉向、總步數(shù)，電子鼠X、Y坐標、朝向、行止狀態(tài)、速度以及五個測距紅外的讀數(shù)值。

2.3 電機驅動

通過電機相位控制對電機的相位作記錄，根據當前電機轉向把相位向前或者向后推進一格。定時器中斷服務程序使用了CPU的兩個32位定時器Timer0和Timer1，分別對左輪和右輪進行定時驅動。電機轉速設置是通過改變相應定時器的置數(shù)值，改變定時器觸發(fā)中斷的周期，從而改變電機的轉速。

2.4 運動的控制

為了實現(xiàn)驅動的透明度，在電機控制之上加一層對機器人運動狀態(tài)的控制。主要運動狀態(tài)有左轉90度，左轉180度，右轉90度，右轉180度，熄火，前進等。

定時掃描紅外測距模塊。在系統(tǒng)定時器SysTick的中斷服務程序中，驅動打開紅外測距模塊，對5個紅外測距進行逐一掃描讀數(shù)，將讀到的結果保存在結構體變量Telemeter中。

2.5 驅動應用：Pacer狀態(tài)機

驅動的一個應用例子，通過狀態(tài)機模型實現(xiàn)機器人從初始點跑到終點，其間避開所遇到的障礙的功能。機器人根據當前位置和目標點位置貪婪地做出決策。如圖7所示：

圖7 狀態(tài)轉化流程模型圖

3 結論

本文描述了機器人的結構設計，利用其基本功能實現(xiàn)了拼字母這一應用場景，并驗證了其性能。目前該設計中還有許多需要改進的地方，如布線、需要對功能板進行升級，將通信模塊集成到功能板上，給機器人控制加上反饋模塊，該模塊可以是指南針模塊或車輪轉數(shù)計數(shù)模塊，等等。

[1] 劉霞等.電子設計與實踐[M] .電子工業(yè)出版社,2009.

[2] (美)卡特索利斯著,徐君明,等譯.嵌入式硬件設計[M] ..中國電力版社,2004.

[3] 王水平,周培志,張耀進等.PWM 控制與驅動器使用指南及應用電路[M] ..西安電子科技大學出版社,2005.

[4] 海濤,龍軍主編.計算機通信技術[M] ..重慶大學出版社,2005.