基于ARM的建筑能效數(shù)據(jù)采集機(jī)器人設(shè)計(jì)*

孫富康,方潛生,張 毅,高武雙,陳 燕,張紅艷

(安徽建筑工業(yè)學(xué)院 智能建筑實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230022)

既有建筑的節(jié)能改造是我國建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)內(nèi)容之一。檢測既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性、室內(nèi)溫濕度和光照度等信息是評價(jià)既有建筑能效指標(biāo)的主要手段，也為既有建筑的節(jié)能改造直接提供數(shù)據(jù)支持。本文介紹一種在建筑物內(nèi)部應(yīng)用于建筑能效數(shù)據(jù)采集任務(wù)的履帶機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。在安裝了傳感器結(jié)點(diǎn)的建筑物內(nèi)，該履帶機(jī)器人將遍歷所有的無線傳感器信號覆蓋區(qū)域，采集所有的傳感器數(shù)據(jù)。

1 RSSI技術(shù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 RSSI 技術(shù)

式中，A為射頻參數(shù)，n為信號傳輸常數(shù)，d為距發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離。在計(jì)算時(shí)，A和n的取值是一個(gè)關(guān)鍵的問題；不同的取值對測距的誤差影響很大。實(shí)際測算RSSI數(shù)值時(shí)，為了使模型能夠盡量真實(shí)地反映出無線信號在當(dāng)前空間環(huán)境中的傳播特性，需要對A和n進(jìn)行優(yōu)化以得到最適合該室內(nèi)環(huán)境情況的參數(shù)值[2]。

應(yīng)用RSSI技術(shù)定位的三個(gè)步驟：采集RSSI數(shù)值；根據(jù)信號傳播模型和RSSI數(shù)值計(jì)算距離；結(jié)合距離參數(shù)進(jìn)行定位計(jì)算。目前，RSSI的數(shù)值可以依靠芯片自身的功能獲取，如美國TI公司生產(chǎn)的CC2431就可依靠芯片中植入的ZIGBEE協(xié)議來獲取RSSI強(qiáng)度數(shù)值。

1.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是一種不依賴于外部信息、不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用安裝在運(yùn)載體上的陀螺儀和加速度計(jì)來測定運(yùn)載體位置。其中，陀螺儀測定航向和姿態(tài)角，加速度計(jì)測量運(yùn)動(dòng)體的加速度[3]。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

2.1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人設(shè)計(jì)為履帶式結(jié)構(gòu)，外觀尺寸為：600 mm×450 mm×300 mm。在設(shè)計(jì)中，機(jī)器人外殼采用具備良好機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性的工程塑料 （ABS）材質(zhì)。直流電機(jī)安裝于機(jī)器人前側(cè)，左右各置一只。機(jī)器人控制系統(tǒng)安裝于運(yùn)動(dòng)底盤上方，并通過金屬支架固定。

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

機(jī)器人控制系統(tǒng)包括處理器、電機(jī)控制、無線通信、傳感器和電源模塊,如圖1所示。其中,處理器選用ARM11芯片S3C6410；電機(jī)控制模塊采用大功率MOSFET搭建H橋控制電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的

控制；傳感器模塊包括陀螺儀、加速度計(jì)和車速傳感器，其中陀螺儀采用 HMC5883L，加速度計(jì)采用MMA7261QT，車速傳感器采用AB相增量型旋轉(zhuǎn)編碼器；電源模塊包括一個(gè)12 V 6 800 mA/h和一個(gè)7.2 V 4 400 mA/h的鋰電池，其中12 V鋰電池為兩個(gè)直流電機(jī)提供電源，7.2 V鋰電池為直流電機(jī)以外的控制芯片和電路提供電源。

2.2.1 主要芯片

(1)S3C6410

S3C6410是三星公司生產(chǎn)的16位RISC ARM11處理器芯片。S3C6410包含TFT24位真彩色液晶顯示控制器、系統(tǒng)管理器 （電源管理等）、4通道 UART、32通道DMA、4通道定時(shí)器、通用的 I/O端口、I2S總線接口、I2C總線接口、USB主設(shè)備、高速多媒體卡接口和用于產(chǎn)生時(shí)鐘的 PLL[4]。

(2)CC2431

CC2431是美國TI公司生產(chǎn)的一款系統(tǒng)芯片 (SoC)芯片。該芯片整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。內(nèi)置一個(gè)8位 MCU（8051），具有 128 KB可編程閃存和8 KB的RAM。CC2431芯片集成了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。與CC2430相比較，CC2431具有一個(gè)基于IEEE802.15.4的無線定位引擎，該引擎可以實(shí)現(xiàn)0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度[5]。

(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用H橋控制電路，如圖2所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的H橋電路使用4個(gè)N溝道IRF3205 MOSFET搭建[6]。電機(jī)控制電路使用不同的電源與控制系統(tǒng)中的其他電路相隔離。

2.2.2 主要傳感器

(1)電子羅盤

機(jī)器人控制系統(tǒng)中的電子羅盤采用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC5883L。HMC5883L是一種弱磁傳感器芯片，可廣泛應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測領(lǐng)域。HMC5883L芯片能使羅盤精度控制在1°～2°[7]。HMC5883L與S3C6410之間電路如圖3所示。

(2)加速度計(jì)

MMA7260QT是Freescale公司生產(chǎn)的一款三軸加速度計(jì)芯片[8]。MMA7261QT采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供4個(gè)量程可選，分別是 2.5 g、3.3 g、6.7 g和 10 g。 由于 MMA7261QT 輸出的X、Y和Z軸的加速度數(shù)值是模擬量，因而在處理器S3C6410與MMA7261QT之間需加入一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，將X、Y和Z軸的模擬加速度數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再輸出給S3C6410芯片。

(3)車速傳感器

系統(tǒng)中，車速傳感器采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。該增量型旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)400個(gè)脈沖,最大機(jī)械轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，響應(yīng)頻率最大為 20 kHz。

2.3 機(jī)器人控制策略

機(jī)器人在布置了無線傳感器結(jié)點(diǎn)的室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行。這些無線傳感器結(jié)點(diǎn)不僅采集建筑能效數(shù)據(jù)，同時(shí)還作為機(jī)器人定位時(shí)計(jì)算RSSI數(shù)值的參考結(jié)點(diǎn)。在環(huán)境中，已知無線傳感器結(jié)點(diǎn)的絕對坐標(biāo)，機(jī)器人在運(yùn)行中可實(shí)時(shí)接收周圍結(jié)點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)(RSSI數(shù)值)，同時(shí)聯(lián)合車載的INS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃[9]。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的程序流程如圖4所示。運(yùn)行時(shí)，由于傳感器和RSSI數(shù)值均會產(chǎn)生一定的誤差,機(jī)器人確定目標(biāo)位置后，將采取實(shí)時(shí)姿態(tài)調(diào)整策略，即機(jī)器人行駛ΔT時(shí)間后重新定位自身的新位置，再生成新的路徑規(guī)劃方案、調(diào)整姿態(tài)繼續(xù)行駛,并如此往復(fù)，最終達(dá)到目標(biāo)位置[10]。

圖4 機(jī)器人運(yùn)行程序流程圖

本文為室內(nèi)機(jī)器人控制設(shè)計(jì)提供了一種硬件設(shè)計(jì)方案。該機(jī)器人采用履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，利用ARM作為系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)分析的核心,采取RSSI和INS聯(lián)合定位的策略實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中的實(shí)時(shí)定位和路徑規(guī)劃。在后續(xù)的項(xiàng)目工作中還應(yīng)該針對室內(nèi)環(huán)境中機(jī)器人的定位和路徑規(guī)劃策略做更深入的研究。

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