基于繪圖板程序的家政機器人室內(nèi)定位系統(tǒng)實現(xiàn)

李彥松，陳 祥，胡 永，王祖強

（山東大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟南250100）

隨著經(jīng)濟發(fā)展的高速化，人們的生活節(jié)奏也越來越快，家政機器人 DR（Domestic Robot)，因能夠代替人完成家政服務(wù)工作而受到了更多都市市民的青睞。目前，低端DR以單一的輸入功能如清潔功能等重復(fù)性作業(yè)為主，缺乏與用戶的交互；高端DR雖然功能完善，但是價格昂貴，不易為普遍用戶接受。本文設(shè)計的系統(tǒng)是通過上位機的路線繪制程序與用戶進行交互，以低成本便捷的方式實現(xiàn)對DR的室內(nèi)定位控制(Indoor Positioning Control)，具有很好的實用性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體構(gòu)架分為上位機信息發(fā)送系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng)兩個部分。上位機端采用VB編寫的繪制路線程序作為可視控制平臺，實現(xiàn)房屋布局圖載入、行進路線繪制、坐標(biāo)提取、路線信息計算與無線傳輸?shù)裙δ堋C器人處理子系統(tǒng)采用FPGA芯片作為核心處理器，結(jié)合SoPC技術(shù)和Verilog硬件描述語言以完成對FPGA芯片的配置、Nios II軟核實現(xiàn)路線信息的無線接收、提取路線信息。使用Verilog硬件描述語言搭建電機和舵機的PWM控制模塊,控制電機與舵機配合，完成路線的行駛。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 上位機端

上位機PC端可分成實時控制平臺程序和串口無線發(fā)送模塊。實時控制平臺負責(zé)路線的繪制、路線信息的提取與串口傳送。串口無線發(fā)送模塊負責(zé)信息的發(fā)送。

2.1.1 實時控制平臺程序

基于VB開發(fā)環(huán)境編寫的實時控制平臺程序，主要完成環(huán)境信息的載入、機器人定位和移動控制等任務(wù)。具體可以劃分為串口控制區(qū)域、環(huán)境設(shè)置區(qū)域和行進路線繪制區(qū)域。其中，串口設(shè)置區(qū)域負責(zé)通信參數(shù)（串口號、波特率）的輸入和串口與無線模塊通信的開關(guān)；環(huán)境設(shè)置區(qū)域負責(zé)加載bmp格式的房屋布局圖并設(shè)定機器人起始位置的二維坐標(biāo)；行進路線繪制區(qū)域是一個虛擬的手寫板,可以顯示房屋布局圖和機器人的實時位置，通過鼠標(biāo)在圖上點擊任意設(shè)定下一個目的地，程序自動分析行進路線，提取轉(zhuǎn)角和行進長度等信息。其程序流程圖如圖2所示。

該處理過程基于微元法原理，將起點與終點坐標(biāo)同時代入線段長度公式L=求得線段L的長度。而轉(zhuǎn)角的計算是基于二維坐標(biāo)系，假設(shè)每段線段定義其斜角為-180°～180°之間，如圖 3所示。

每次處理均以微元線段為基本單位，若起始線段AB的斜角α1為：

終止線段BC的斜角α2為:

則兩線段之間實際轉(zhuǎn)角Δα為：

當(dāng)-180°＜Δα＜180°時，實際轉(zhuǎn)角即為 Δα；當(dāng) Δα＞180°時，實際轉(zhuǎn)角即為 Δα-360°；當(dāng) Δα＜-180°時，實際轉(zhuǎn)角即為 Δα+360°。

2.1.2 串口無線模塊

PC機路線繪制程序?qū)⑿畔⒋虬ㄟ^串口傳輸?shù)綗o線模塊CC1100-232后發(fā)送出去。CC1100是TI公司的高性能無線通信芯片，采用串口工作方式，可以工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz公用頻段，串口速率為1.2 Kb/s～38.4 Kb/s。在無線傳感器、家庭自動化、機器人控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 機器人子系統(tǒng)

機器人子系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)路線信息的接收與執(zhí)行，由FPGA處理器、CC1100-232無線模塊、機器人模型組成。

2.2.1 機器人模型

微元路線的準(zhǔn)確實現(xiàn)需要機器人根據(jù)路線信息準(zhǔn)確地行走，機器人模型設(shè)計的關(guān)鍵在于行進部分的設(shè)計，本系統(tǒng)的機器人行進部分由兩個從動輪、一個帶碼盤的驅(qū)動輪、光電對管TCRT5000和電機模組組成。驅(qū)動輪的電機模組分為130電機和5010舵機兩部分，電機與舵機安裝于驅(qū)動輪上，電機帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，舵機帶動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)。PWM波可以控制電機、舵機轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)PWM波的占空比可以改變電機轉(zhuǎn)速和舵機的轉(zhuǎn)動角度。在驅(qū)動輪上帶有碼盤和光電對管TCRT5000，兩者結(jié)合可以準(zhǔn)確地記錄驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動了多少碼格。

機器人的行進方式有兩種：(1)舵機偏轉(zhuǎn)為0°時，電機作用驅(qū)動輪，機器人直線行駛；(2)舵機偏轉(zhuǎn)90°時，電機作用驅(qū)動輪，機器人繞幾何中心點轉(zhuǎn)動，如圖4所示。

每次微元的路線機器人的執(zhí)行方式都是舵機擺至90°，電機驅(qū)動輪行進使機器人繞中心點轉(zhuǎn)動相應(yīng)轉(zhuǎn)角，然后舵機擺正，電機驅(qū)動機器人行走微元路線相應(yīng)的距離。

2.2.2 FPGA控制模塊

系統(tǒng)采用Altera Cyclone III EP3C16 FPGA芯片，Verilog硬件描述語言完成復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。Altera公司的SoPC技術(shù)可自定義IP核配置NIOS軟核，可定制性高[1]。通過軟硬件協(xié)同設(shè)計使整個系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)更加靈活與高效。

本系統(tǒng)使用Nios II系統(tǒng)通過C語言編寫UART串口模塊程序，與串口無線模塊CC1100-232進行通信提取路線信息，控制PIO口進行相應(yīng)的中斷檢測與中斷服務(wù)。軟件設(shè)計的整個流程可以在Nios IDE環(huán)境中完成。在Nios II系統(tǒng)開發(fā)過程中，使用寄存器操作方式訪問PIO口[2]：即定義一個寄存器結(jié)構(gòu)體，然后通過訪問結(jié)構(gòu)體元素的方式讀寫PIO口數(shù)據(jù)，如圖5所示。

使用Verilog語言搭建電機與舵機的控制模塊以及光電對管的計數(shù)模塊，如圖6所示。圖中，電機部分：cp50m為50 MHz時鐘輸入端；jian為光電對管檢測輸入端，內(nèi)部計數(shù)器完成對它的計數(shù)；en為參數(shù)設(shè)置使能；len[15..0]為計數(shù)預(yù)設(shè)定值，由Nios II軟核根據(jù)路線信息計算得出參考值；dir為電機轉(zhuǎn)向控制輸入端，根據(jù)輸入控制信號ctrl1、ctrl2完成對電機控制。pwm輸出信號實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制，finish信號負責(zé)動作執(zhí)行完畢后向Nios II軟核發(fā)送完成信息。舵機部分：為了方便控制舵機只需要旋轉(zhuǎn) 0°或 90°即可，控制時通過 pulse輸出端輸出周期為20 ms、高電平為0.5 ms的PWM波，舵機轉(zhuǎn)向即為0°；輸出周期 20 ms，高電平為 1.5 ms的 PWM波， 舵機轉(zhuǎn)向即為90°。舵機轉(zhuǎn)向由dir控制。

通過Nios II系統(tǒng)與電機舵機控制模塊完成對FPGA核心處理器的配置后，整個系統(tǒng)搭建完畢，F(xiàn)PGA控制器框圖如圖7所示。

2.2.3 機器人子系統(tǒng)路線信息執(zhí)行過程

機器人子系統(tǒng)執(zhí)行時，串口無線模塊CC1100-232接收由發(fā)射端傳遞的路線信息，數(shù)據(jù)接收完成后相應(yīng)信號管腳置高。Nios II系統(tǒng)相應(yīng)的IO口檢測后產(chǎn)生中斷，啟動中斷函數(shù)，通過串口讀取接收模塊信息(接收信息包含路線的長度和轉(zhuǎn)角兩部分內(nèi)容)。

驅(qū)動輪的直徑為5 cm，驅(qū)動輪上碼盤的碼格數(shù)為100個，設(shè)計數(shù)值為x1，則其行進距離L為：

舵機偏轉(zhuǎn)90°、機器人繞中心轉(zhuǎn)動 360°時，驅(qū)動輪行進碼格數(shù)為a，設(shè)計數(shù)值為x2，則其轉(zhuǎn)動角度θ為：

若機器人按照式（1）直行某確定距離 L，應(yīng)根據(jù)式（4）設(shè)置好相應(yīng)的計數(shù)值 x1；若使機器人旋轉(zhuǎn)某個角度θ，應(yīng)根據(jù)式（5）設(shè)置好相應(yīng)的計數(shù)值 x2。

分析設(shè)定好光電計數(shù)器的預(yù)設(shè)定值后就可以啟動機器人行進。首先是轉(zhuǎn)角，舵機偏轉(zhuǎn)90°后，Nios II系統(tǒng)將轉(zhuǎn)角預(yù)設(shè)定值 x2傳給電機模塊len[15..0]，然后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動讓機器人旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時碼盤的遮光部分使光電對管斷開檢測管腳為0，透光部分使光電對管正常工作檢測管腳為1，計數(shù)器對檢測管腳的脈沖計數(shù)。當(dāng)計數(shù)值與預(yù)設(shè)值相等時，機器人轉(zhuǎn)角完成，此時finish信號置高，Nios II系統(tǒng)檢測到此信號后就會控制舵機模塊使舵機擺正，接著加載距離信息的預(yù)設(shè)值x1，進行直線行進，執(zhí)行完畢后機器人系統(tǒng)進入等待下一次路線信息接收狀態(tài)。

本文闡述了一種采用繪圖板上位機實現(xiàn)的可視化家政機器人控制方法。利用FPGA配置靈活性的特點，結(jié)合Altera公司的SoPC技術(shù)，使整個系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)配合完成信息傳遞和處理。位置可視化的優(yōu)勢在于可更方便地讓使用者對DR進行實時的調(diào)度，以更加人性化的方式方便了行動不便的使用者。本方法以其易于實現(xiàn)和控制的特點為家政機器人定位系統(tǒng)提供了一個有效可行的方案。

[1]赫建國，倪德克，鄭燕.基于 Nios II內(nèi)核的 FPGA電路系統(tǒng)設(shè)計.第 1版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：110-142.

[2]周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程.第 1版[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：194-218.