搜救螞蟻機(jī)器人設(shè)計

孫世成，毛麗民，張笠君，許震

（常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

搜救螞蟻機(jī)器人設(shè)計

孫世成，毛麗民，張笠君，許震

（常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

針對目前的搜索機(jī)器人體積龐大，無法進(jìn)入狹小空間內(nèi)搜尋幸存者，而且搜索到幸存者所花的時間比較長等缺點，提出了一種以MSP430F2234單片機(jī)為控制核心的螞蟻機(jī)器人設(shè)計方案，螞蟻機(jī)器人搜索相互獨立，采用紅外傳感器相互通訊.與通常的搜索機(jī)器人相比，螞蟻機(jī)器人功耗低、體積小，能快速、準(zhǔn)確地搜索到目標(biāo).

搜救；螞蟻機(jī)器人；MSP430F2234單片機(jī)

地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后，在廢墟中搜尋幸存者，給予必要的醫(yī)療救助，并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù).由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜，救援人員在存在有害物、煙霧、灰塵和一氧化碳等危險的情況下是很難進(jìn)入現(xiàn)場開展救援工作的，此外，廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進(jìn)入[1].

近十年來，尤其是“911”事件之后，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人.輪履式機(jī)器人是一種最常見的，在傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的搜救機(jī)器人，但由于體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者.而且現(xiàn)有的搜救機(jī)器人，是獨自的搜索幸存者，機(jī)器人相互之間沒有通信，搜索速度比較慢，搜索到幸存者所花的時間比較長[2].

1 設(shè)計原理

在搜索的過程中，通過紅外相互通信，了解彼此狀態(tài).當(dāng)一個螞蟻搜救機(jī)器人找到幸存者后，該螞蟻搜救機(jī)器人就會通過紅外信息通知其他螞蟻機(jī)器人，其他螞蟻機(jī)器人收到信息后，向其靠攏，并發(fā)出報警聲.螞蟻搜救機(jī)器人通過相互協(xié)作，實現(xiàn)在復(fù)雜情況下快速、準(zhǔn)確的搜索到幸存者.當(dāng)螞蟻搜救機(jī)器人在搜索過程中遇到障礙物，觸角開關(guān)就會被觸動，螞蟻搜救機(jī)器人就會轉(zhuǎn)向.

2 硬件電路設(shè)計

本設(shè)計基于MSP430微處理器，構(gòu)建了具有目標(biāo)搜尋與檢測功能的螞蟻機(jī)器人.螞蟻機(jī)器人系統(tǒng)的組成主要包括微處理器部分、電源供電部分、電機(jī)控制部分、目標(biāo)搜尋與檢測部分、通訊部分等，如圖1所示.

2.1 微處理器

本設(shè)計采用了MSP430F2xx系列中的MSP430F2234.MSP430F2234具有16位控制器、8 KB閃存、512 B RAM，其電源電壓采用1.8～3.6 V，待機(jī)電流小于1 μA，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時耗電僅0.1 μA，在活動模式時耗電250 μA，I/O輸入端口的漏電流最大為50 μA；強(qiáng)大的處理能力，內(nèi)部采用目前最流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評的經(jīng)典指令集結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成了豐富的片上外圍模塊，包括12位ADC、DAC、比較器、LCD驅(qū)動器、電源電壓監(jiān)控、串行通訊、紅外線控制器、DMA控制器等[3].

2.2 電源模塊設(shè)計

如圖2所示，本電路主要通過穩(wěn)壓管MCP1702給單片機(jī)MSP430提供一個穩(wěn)定的電壓.穩(wěn)壓管MCP1702的3引腳輸入電壓范圍為2.7 V～13.2 V，2引腳輸出電壓為3.3 V.B+和B-兩端分別連接320 mA鋰電池的正負(fù)端.開關(guān)SSSS210810控制螞蟻機(jī)器人的啟動和停止.圖中的電容均用來濾波，100 μF的電容用來過濾高頻波，4.7 μF的電容用來過濾低頻波.

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

采用六個場效應(yīng)管來控制兩個電機(jī).如圖3所示，信號端M1、M2、MP、MN由單片機(jī)MSP430控制，連接具有10 K上拉電阻的Vbatt處，因為單片機(jī)MSP430是由3.3 V的穩(wěn)壓管供電，而Vbatt處的電壓為鋰電源的兩端電壓高至4.2 V.

當(dāng)M1為低電平MN、MP為高電平時，Q1P與Q2N導(dǎo)通，電機(jī)1正轉(zhuǎn).電機(jī)狀態(tài)編碼如表1所示.

2.4 電池充電模塊

電子設(shè)備電源部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這部分的穩(wěn)定工作對整個主控板的穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用.

本設(shè)計采用MCP73833高級線性電池管理控制器，用于給鋰電池充電，詳細(xì)說明如下：

（1）電池管理輸入電壓VDD是MCP73833/4器件的輸入電源，接5 v至6 V的外部恒流電源.

（2）通過在PROG引腳和GND之間的電阻來控制充電電流的大小.編程電阻和充電電流可以通過（1）式計算，其中IREG為充電電流，RPROG為PROG引腳和VSS之間的電阻.

圖1 螞蟻機(jī)器人示意圖

圖2 電源模塊電路

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼

圖4 電池充電電路

（3）電池充電控制輸出VBAT電池充電控制輸出引腳，與電池組的正極相連.此為內(nèi)部P溝道MOSFET的漏極. MCP73833通過在線性工作區(qū)控制該MOSFET工作來給電池組提供恒流和恒壓調(diào)節(jié).

（4）溫度判斷THERM，由于不需要溫度監(jiān)控功能，所以在THERM引腳和VSS之間連接一個標(biāo)準(zhǔn)10 K電阻.

（5）電池管理0 V參考電壓VSS接該引腳接電池的負(fù)極和輸入電源的地.

（6）狀態(tài)指示STAT1、STAT2、PG如表2所示，接MSP430的引腳. 2.5紅外通訊模塊

紅外通信技術(shù)就是利用紅外線來傳遞數(shù)據(jù)，是無線通訊技術(shù)的一種.其優(yōu)點是保密性強(qiáng)，信息容量大，結(jié)構(gòu)簡單，既可以在室內(nèi)使用，也可以在野外使用.通過對發(fā)送信號進(jìn)行編碼、調(diào)制，具有可靠性高、誤差小、成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等特點.一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成，通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā).發(fā)射系統(tǒng)對一個紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測器進(jìn)行接收.

螞蟻機(jī)器人的紅外發(fā)射電路如圖5所示.信號TX由單片機(jī)MSP430控制，當(dāng)MOS管的柵極G為高電平時，紅外發(fā)射二極管點亮發(fā)射紅外線；當(dāng)MOS管的柵極G為低電平時，紅外發(fā)射二極管斷開.

螞蟻機(jī)器人的紅外通信電路中的接收電路如圖6所示.螞蟻機(jī)器人用三個紅外光敏二極管來接收各個方向的紅外線.此處光敏二極管不但用于接收紅外線，還用做環(huán)境光傳感器，而這兩個功能在電路中需要不同的上拉條件.當(dāng)用于接收紅外線時，因為這時光敏二極管的電阻阻值變化幅度很大，只需要低靈敏度，所以上拉電阻選擇10 K；當(dāng)用于環(huán)境光傳感器時，因為光敏二極管的電阻阻止變化幅度很小，所以需要很高的靈敏度，上拉電阻選擇100 K.單片機(jī)MSP430控制信號端BIAS1和BIAS2適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換這兩種情況.電路中的交流耦合用來過濾由環(huán)境光所產(chǎn)生的直流.10 K的電阻和330 pF的電容構(gòu)成高通濾波電路，用來過濾直流和低頻交流信號.濾波器大概在1 kHz處會有3 dB的頻率衰減.接收信號有疊加的直流信號，由于電阻R20和R21的分壓，直流電壓值為所提供電壓的一半.每個光敏二極管的直流電壓輸入到單片機(jī)MSP430的PD1，PD2和PD3端.當(dāng)接收紅外線的信號為0時，此時沒有被紅外發(fā)射管的紅外信號所覆蓋，光敏二極管不用于接收紅外線，上拉電阻的切換與環(huán)境光度的測量同時進(jìn)行.

表2 充電周期狀態(tài)

圖5 紅外發(fā)射電路

圖6 紅外線接收電路

2.6 目標(biāo)檢測模塊

由位于車底的灰度傳感器進(jìn)行判斷是否找到目標(biāo).灰度傳感器由反射式紅外光電判讀器組成，即一個紅外發(fā)光管和紅外三極管并排綁定構(gòu)成.其電路圖如7所示.2.2 K電阻是光敏晶體管的上拉電阻，信號目標(biāo)與單片機(jī)MSP430的數(shù)字輸入接口相連.分別測量目標(biāo)端在有光照和沒有光照的信號，將這兩個信號相減得到反射度.

2.7 指示電路

指示電路用于顯示螞蟻機(jī)器人的狀態(tài)，如圖8所示.紅燈亮表示搜索到目標(biāo)，滅表示未搜索到目標(biāo).綠燈亮表示電量不足，滅表示電量充足.

圖7 目標(biāo)檢測電路

圖8 指示電路

3 螞蟻機(jī)器人的軟件設(shè)計

3.1 螞蟻機(jī)器人搜索示意圖

每個螞蟻機(jī)器人在一定范圍內(nèi)搜索目標(biāo)，而且搜索的過程彼此獨立，僅通過傳感器進(jìn)行通信，實現(xiàn)不同螞蟻機(jī)器人之間不斷進(jìn)行信息交流和傳遞，從而能夠相互協(xié)作，完成尋找目標(biāo)的任務(wù).

在示意圖中有4個螞蟻機(jī)器人，當(dāng)1號螞蟻機(jī)器人找到目標(biāo)的時候，發(fā)出紅外信號通知其他螞蟻機(jī)器人目標(biāo)已經(jīng)找到，在發(fā)出的紅外信號中加入特征碼，區(qū)別找到目標(biāo)的螞蟻機(jī)器人，其他螞蟻機(jī)器人接受到紅外信號后就停止搜索目標(biāo).每個螞蟻機(jī)器人上3個紅外發(fā)射管構(gòu)成360度，三個紅外發(fā)射管輪流發(fā)出紅外信號，在120度的范圍內(nèi)接收到信號的螞蟻機(jī)器人根據(jù)紅外信號的強(qiáng)度和接收的時間段判斷機(jī)器人之間的相對方位和距離，再向1號螞蟻機(jī)器人發(fā)出應(yīng)答信號，然后通過各機(jī)器人之間的互相通訊獲得各機(jī)器人的位置，而較遠(yuǎn)的機(jī)器人可通過與之臨近的機(jī)器人找到目標(biāo)，使各機(jī)器人選擇路徑，做出最快的動作，最終在最短的時間內(nèi)找到目標(biāo).

3.2 主程序流程圖

機(jī)器人啟動時，先初始化各模塊，然后進(jìn)入隨機(jī)尋找（隨機(jī)運動）狀態(tài)，當(dāng)搜索到目標(biāo)后機(jī)器人停止運動，進(jìn)入通訊狀態(tài)，告知其他機(jī)器人目標(biāo)以找到，并檢查是否所有的機(jī)器人接受到，如果沒有并且沒有接受到有效的紅外信號，則繼續(xù)搜尋，如果接受到了其他機(jī)器人發(fā)射的目標(biāo)信號，則開始以細(xì)胞分裂狀通知其他機(jī)器人，當(dāng)所有的機(jī)器人收到目標(biāo)信號后開始向目標(biāo)靠攏，最后找到目標(biāo).

圖9 螞蟻搜索示意圖

圖10 主程序流程圖

4 實驗調(diào)試

為了驗證所設(shè)計的螞蟻機(jī)器人的可行性，在完成硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)的實驗，圖11的（a）-（f）圖顯示了螞蟻機(jī)器人的搜索過程.從實驗結(jié)果可以看出，本設(shè)計是可行的.

圖11 螞蟻機(jī)器人的搜索過程

[1]董曉坡，王緒本.救援機(jī)器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救援中的應(yīng)用[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報，2007，27（1）：112-117.

[2]王忠民.災(zāi)難搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].測控技術(shù)，2007（17）：152-155.

[3]沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：125-146.

[4]劉剛，彭榮群.Protel DXP 2004 SP2原理與PCB設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007：283-320.

The Design of the Ant Robots Based on Search and Rescue Function

SUN Shi-cheng,MAO Li-min,ZHANG Li-jun,XU Zheng
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

There are many disadvantages of search robots at present.For example,the large volume prevents robots from entering the confined space to search for survivors and it takes too much time to find the survivors.In this pa?per,a kind of ant robot based upon MSP430F2234 microprocessor is proposed.The ant robot can search indepen?dently and communicate with each other using infrared sensors.Ant robots have low power consumption,small vol?ume,and find the target rapidly and accurately.

search and rescue;ant robots;MSP430F2234 microcontroller

TP368.1

B

1008-2794（2012）04-0064-05

2012-03-16

江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目“基于搜救功能的螞蟻機(jī)器人設(shè)計”（S1133）

孫世成（1991—），男，江蘇徐州人，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院自動化專業(yè)學(xué)生.

毛麗民（1981—），男，江蘇常熟人，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人與目標(biāo)跟蹤研究，E-mail：maolimin_1981@163. com.