多模式無(wú)線(xiàn)傳感機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

王 俊，徐宏慶，王高山

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)與無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界公認(rèn)為前沿性的科學(xué)技術(shù)。伴隨著社會(huì)信息化程度不斷深入，這兩大技術(shù)將會(huì)在更大的范圍內(nèi)得到使用。本設(shè)計(jì)將無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的高感知能力及實(shí)時(shí)性與機(jī)器人良好的機(jī)動(dòng)能力有效結(jié)合，從而大大增強(qiáng)了機(jī)器人的工作能力和使用范圍。

本設(shè)計(jì)具有無(wú)線(xiàn)遙控、自動(dòng)避障、無(wú)線(xiàn)測(cè)溫以及無(wú)線(xiàn)測(cè)距4種工作模式，可以讓機(jī)器人進(jìn)入一些人類(lèi)無(wú)法進(jìn)入的特殊環(huán)境，在一些緊急情況下，操控者可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控環(huán)境中的重要指標(biāo)，并驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成一些相應(yīng)的動(dòng)作。常用的無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)一般采用了處理器與RF模塊集成的CC2xxx系列的SoC片上系統(tǒng)。該控制核心具有高集成度、低功耗及外圍硬件器件少等優(yōu)勢(shì)，但在面對(duì)機(jī)器人高性能的控制需求和功能的擴(kuò)展性上就顯得有所不足了。所以本設(shè)計(jì)選用了MSP430單片機(jī)加CC1100射頻收發(fā)芯片的組合設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由遙控端和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端兩個(gè)分系統(tǒng)組成，如圖1所示。遙控端包含按鍵模塊、MCU、液晶顯示模塊、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊及電源模塊5部分。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端由無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊、MCU、測(cè)溫模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、三軸位移模塊及執(zhí)行機(jī)構(gòu)5部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

遙控端功能主要包括：(1)發(fā)送各種按鍵指令信號(hào)。主要有以下幾種指令：受控模式、自動(dòng)避障模式，無(wú)線(xiàn)測(cè)溫、無(wú)線(xiàn)測(cè)距以及運(yùn)動(dòng)控制。(2)接收溫度、距離數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)液晶顯示模塊顯示。

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端功能主要包括：(1)接收按鍵指令信號(hào)，并通過(guò)三軸位移傳感模塊跟蹤位移狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；(2)通過(guò)測(cè)溫/測(cè)距模塊，采集溫度和距離數(shù)據(jù)，經(jīng)MCU處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊發(fā)送出去。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)分系統(tǒng)，結(jié)合硬件性能需求及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端和遙控端分別選用了MSP430F5438A和 AT89S52作為 MCU，采用 CC1100為無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊的射頻收發(fā)芯片。

2.1 MCU電路設(shè)計(jì)

MSP430F5438A是MSP430系列中一款超低功耗微控制器，運(yùn)行性能高達(dá) 25 MIPS，擁有 256 KB閃存、16 KB的 RAM、4個(gè) USCI(包含 I2C、SPI、UART 及 IrDA 等通用串行接口)以及多通道12位高速ADC。原理框圖如圖2所示。

圖2 MCU框圖

MCU采用了雙時(shí)鐘電路，其中25 MHz晶振提供了系統(tǒng)主時(shí)鐘；32.768 kHz的實(shí)時(shí)鐘晶體提供了微控制器在低功耗時(shí)所需時(shí)鐘。為保障MCU工作穩(wěn)定性，選用了TPS5430芯片管理MCU電路供電?？紤]到后續(xù)功能拓展的便捷，將I2C、SPI、UART等通用串行通信接口單獨(dú)設(shè)計(jì)出來(lái)，以減少外圍模塊的硬件設(shè)計(jì)難度。

2.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)

該模塊主要負(fù)責(zé)接收各類(lèi)指令及數(shù)據(jù)信號(hào)和無(wú)線(xiàn)發(fā)送由機(jī)器人所采集的溫度和距離數(shù)據(jù)信號(hào)。本模塊采用CC1100進(jìn)行設(shè)計(jì)，其通信方式為半雙工通信。CC1100數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500 kb/s。CC1100與MSP430工作電壓范圍一致為1.8～3.6 V，其靈敏度為-110 dBm，在所有工作頻率波段上，可編程輸出功率為-30～10 dBm。

CC1100通過(guò)四線(xiàn)SPI總線(xiàn)接口SO（GDO1）、SI（GDO0）、SCLK、CSn與MCU電路SPI接口進(jìn)行通信。CC1100采用QLP封裝，其外圍元器件很少，設(shè)計(jì)采用了螺旋天線(xiàn)。CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 測(cè)溫模塊設(shè)計(jì)

本模塊選用了TCN75A可編程I2C總線(xiàn)溫度傳感器。該傳感器測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，具有 0.5℃～0.062 5℃可配置分辨率，能夠通過(guò)編程設(shè)定告警溫度、滯后條件等參數(shù)。其告警信號(hào)可直接作為溫度事件中斷標(biāo)志信號(hào)。在測(cè)溫模塊中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的地址位選擇電路（DEVICE-ID），通過(guò)跳線(xiàn)帽可以方便地對(duì) TCN75A 3個(gè)地址位引腳（A2，A1，A0）進(jìn)行高低電平設(shè)定。同時(shí)，由于TCN75A芯片SDA和SCL均為開(kāi)漏引腳，為保障通信的建立，還設(shè)計(jì)上拉電阻選擇電路（PULL-UP）。

輸入/輸出接口 SDA1、SCL1分別與MCU電路I2C接口相接，而ALERT（告警信號(hào)）直接與MCU的GPIO口相接。測(cè)溫模塊電路圖如圖4所示。

圖4 測(cè)溫模塊框圖與電路圖

2.4 三軸位移模塊設(shè)計(jì)

為保證機(jī)器人在復(fù)雜地形上運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，還設(shè)計(jì)了三軸位移傳感模塊。通過(guò)加速度傳感器采集機(jī)器人在X、Y、Z 3個(gè)方向上的加速位移量，更加全面獲取機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，保證了控制的流暢性，提升了路況識(shí)別能力。

ADXL362內(nèi)部包含了幾個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模式，通過(guò)軟件設(shè)置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)門(mén)限閾值，當(dāng)傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)加速度超過(guò)設(shè)定閾值，即從INT1或INT2口輸出指示信號(hào)。MCU可以直接以該信號(hào)作為中斷標(biāo)志位，實(shí)施機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)整。三軸傳感器輸出采用了四線(xiàn)SPI總線(xiàn)接口，所以本模塊與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊掛載到同一根SPI總線(xiàn)上，只需將/CS片選引腳連接到MCU另一個(gè)片選引腳上即可。三軸位移模塊電路圖如圖5所示。

其他模塊電路均采用了一些常見(jiàn)電路，限于篇幅，這里就不再贅述。

圖5 三軸位移模塊框圖和電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)軟件分為遙控端子程序和驅(qū)動(dòng)控制端子程序，兩個(gè)分系統(tǒng)程序匹配的關(guān)鍵是擁有統(tǒng)一的通信協(xié)議。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4種工作模式：遙控模式、避障模式、測(cè)溫模式、測(cè)距模式，模式選擇全部通過(guò)遙控端按鍵指令控制。

3.1 遙控端程序設(shè)計(jì)

遙控端程序初始化主要完成設(shè)置中斷標(biāo)志位、配置SPI總線(xiàn)、配置無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊以及液晶屏初始化，然后進(jìn)行按鍵輪詢(xún)。若有按鍵按下，進(jìn)入中斷等待接收驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位。液晶屏顯示子程序查詢(xún)標(biāo)志位的值，顯示相應(yīng)信息，然后清除標(biāo)志位，并返回按鍵輪詢(xún)。

3.2 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)端在系統(tǒng)初始化時(shí)需要關(guān)閉看門(mén)狗，設(shè)定系統(tǒng)主時(shí)鐘，開(kāi)啟SPI總線(xiàn)以及配置無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊。當(dāng)接收到指令后，調(diào)用相應(yīng)的子程序。當(dāng)子程序運(yùn)行完成后，再次開(kāi)啟中斷接收指令及行判別，若保持原指令不變，則繼續(xù)執(zhí)行子程序。由于系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率較高，所以指令輪詢(xún)的延時(shí)可以忽略不計(jì)，基本不會(huì)影響機(jī)器人動(dòng)作精準(zhǔn)度。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端程序流程圖如圖6所示。

3.2.1 無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊配置

CC1100通過(guò)SPI接口進(jìn)行參數(shù)配置，SmartRF Studio7配置軟件可以直觀(guān)方便地完成接收/傳輸模式、收發(fā)地址、RF信道選擇、數(shù)據(jù)率、調(diào)制方式以及64位傳輸FIFO數(shù)據(jù)緩沖等重要性能參數(shù)最優(yōu)寄存器設(shè)定。該軟件支持導(dǎo)出C、html等多種格式文件。本設(shè)計(jì)中直接調(diào)用了導(dǎo)出的C語(yǔ)言文件進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊的初始化。無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊配置為基準(zhǔn)頻率為434 MHz，數(shù)據(jù)率為 250 K波特，2FSK調(diào)制以及可變長(zhǎng)度數(shù)據(jù)包格式。另外還應(yīng)注意主從無(wú)線(xiàn)模塊的地址匹配問(wèn)題，并需保證兩個(gè)模塊間目的地地址和源地址一致才能保證通信。

3.2.2 三軸位移模塊設(shè)計(jì)

將 X、Y、Z三軸分別定義為前進(jìn)/后退方向、左/右轉(zhuǎn)方向、垂直方向。當(dāng)機(jī)器人處于勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)方向加速度接近于零。在機(jī)器人出現(xiàn)加速或減速，X軸方向會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于其他兩軸方向的測(cè)量值變化。同理，機(jī)器人進(jìn)行左/右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，Y軸方向會(huì)有較大的測(cè)量值。如果路面出現(xiàn)坡道，在Z軸方向上將會(huì)出現(xiàn)測(cè)量值的改變。

圖6 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端程序流程圖

由于機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，加速度值不斷發(fā)生改變，固定閾值無(wú)法作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本設(shè)計(jì)采用了動(dòng)態(tài)閾值算法。每采樣30次更新一次三軸測(cè)試數(shù)據(jù)峰峰值，將平均值(Max+Min)/2作為“動(dòng)態(tài)閾值”。當(dāng)測(cè)量值超出閾值范圍，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，保證機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。這種選擇具有自適應(yīng)性，并且足夠快。

為保證加速度測(cè)試數(shù)的精準(zhǔn)度，在設(shè)計(jì)中增加了數(shù)字濾波和線(xiàn)性移位寄存環(huán)節(jié)。數(shù)字濾波采用了等增益合并的算法。通過(guò)4個(gè)寄存器和一個(gè)求和單元，使得加速度數(shù)據(jù)更加平滑。線(xiàn)性移位寄存器包含了2個(gè)寄存單元：NEW寄存器和OLD寄存器。當(dāng)新采樣數(shù)據(jù)來(lái)時(shí)，NEW寄存器值直接移入OLD寄存器中。而新采樣結(jié)果是否移入NEW寄存器中取決于：加速度變化是否大于預(yù)定義精度。若大于，新采樣結(jié)果將移入NEW寄存器中；否則NEW寄存器保持不變。線(xiàn)性移位寄存器可以消除高頻噪聲，避免了測(cè)試結(jié)果的頻繁擾動(dòng)。以機(jī)器人上坡運(yùn)動(dòng)為例，程序流程圖如圖7所示。

圖7 上坡運(yùn)動(dòng)程序流程圖

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性高、通信距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。最重要的是，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，可以方便地增加各類(lèi)型接口的外圍硬件模塊，實(shí)現(xiàn)多種拓展功能。

本設(shè)計(jì)的部分研究成果用于了學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)。該畢業(yè)設(shè)計(jì)榮獲2011年江蘇省優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)。

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