張愛麗

（北京青云航空儀表有限公司 北京 100086）

單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人體積小，方便單兵野外作戰(zhàn)時(shí)攜帶，可完成偵察、作戰(zhàn)、排爆等任務(wù)[1]。機(jī)器人能夠代替人類到達(dá)不方便到達(dá)或危險(xiǎn)的環(huán)境，確保了士兵的安全。車體是履帶式設(shè)計(jì)，行動(dòng)平穩(wěn)[2]。

1 單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)士兵對機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，需要配合使用遙操控終端[3]。機(jī)器人與遙操控終端的工作原理如圖1所示。

圖1 機(jī)器人與遙操控終端工作原理圖Fig.1 Principle of robot and remote control terminal

遙操控終端通過按鈕、開關(guān)、搖桿采集工作人員的操控指令，將操控指令轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的格式通過串口發(fā)給無線電臺(tái)，無線電臺(tái)將該數(shù)據(jù)發(fā)送出去；機(jī)器人控制系統(tǒng)的無線電臺(tái)接收到來自操控終端的控制指令后，按照操控指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、武器擊發(fā)，同時(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)采集機(jī)器人的GPS位置、電池電量、超聲波避障信息等，把機(jī)器人信息打包后通過機(jī)器人上的無線電臺(tái)發(fā)送給遙操控終端的電臺(tái)，遙操控終端接收到機(jī)器人信息后，將其顯示在人機(jī)界面上，以備士兵隨時(shí)掌握機(jī)器人的實(shí)時(shí)信息。

單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)是基于DSP芯片及與其外圍電路、電源電路組成。 DSP芯片選用TMS320F2812[4-5]。TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺(tái)上的定點(diǎn)32位DSP芯片，主頻150 MHz、處理性能可達(dá)150 MIPS，每條指令周期6.67 ns。TMS320F2812包括4M可尋址程序空間和4M可尋址數(shù)據(jù)空間。同時(shí)片內(nèi)具有128×16位的FLASH存儲(chǔ)器和18K×16位的SRAM。TMS320F2812采用3.3 V和1.8 V供電，功耗低。TMS320F2812的外部接口非常豐富，16路12位的ADC采集通道，SPI、SCI通信模塊，多達(dá)56個(gè)復(fù)用I/O引腳。

單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 DSP芯片及外圍電路Fig.2 DSP and peripheral circuit

1.1 I/O端口

TMS320F2812的GPIOA0－GPIOA3口設(shè)置成基本輸入輸出端口，端口配置及屬性如表1所示。

表1 GPIOA端口設(shè)置Tab.1 GPIOA ports-settings

超聲波避障信號(hào)用于探測機(jī)器人前方0.5 m內(nèi)是否有障礙物，如遇到障礙物，機(jī)器人可自動(dòng)轉(zhuǎn)彎避開。武器擊發(fā)開關(guān)用于機(jī)器人上武器的擊發(fā)控制，手電開關(guān)用于機(jī)器人上手電的開關(guān)控制，攝像頭廣窄角選擇用于機(jī)器人上攝像頭的廣角與窄角的切換。

1.2 A/D端口

TMS320F2812的A/D轉(zhuǎn)換器模塊共有16個(gè)通道，模擬電壓的輸入范圍是0～3 V。這里用了其中的2個(gè)通道，分別用來測量機(jī)器人上的2塊24 V鋰電池的電量。圖3中電量測量電路分為3個(gè)部分：差分比例1：10電路，把24 V電壓轉(zhuǎn)換到0～2.4 V區(qū)間；隔離比例1：1電路，能有效的隔離輸入電壓與DSP的前端接口；電壓鉗位電路，將輸入到DSP端口的電壓鉗位在3.3 V以內(nèi)，防止電源電壓意外浪涌時(shí)損壞DSP的A/D轉(zhuǎn)換端口。2路24 V電池電壓分別經(jīng)過2路電量測量電路后，輸入到DSP的ADCINA0、ADCINA2兩個(gè)端口，根據(jù)采集到的電壓值，可計(jì)算當(dāng)前電池的電壓，從而確定電池電量。

圖3 電量測量電路Fig.3 Electricity measurement circuit

1.3 串 口

TMS320F2812 的 GPIOF4、GPIOF5 配 置 成 串 口 1，GPIOG4、GPIOG5配置成串口2。串口1接收GPS的信息，用來確定當(dāng)前機(jī)器人的位置信息[1]；串口2連接機(jī)器人電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與遙操控終端電臺(tái)的無線傳輸。機(jī)器人電臺(tái)連接攝像頭和麥克之后，能夠把影音信息傳送到遙操控終端的電臺(tái)，遙操控終端的工作人員即可接收到機(jī)器人附近的視頻、音頻信息。

1.4 電機(jī)控制

機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)由左履帶電機(jī)和右履帶電機(jī)控制。機(jī)器人上的武器通過做上下、左右調(diào)節(jié)來瞄準(zhǔn)目標(biāo)。

DSP的XINTF是其外部接口，這里使用了XD0－XD11共12根數(shù)據(jù)線，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換為5 V電平后，連接到D/A轉(zhuǎn)換芯片。D/A轉(zhuǎn)換芯片選用了12位的AD664，可輸出4路0～5 V模擬電壓，4路模擬電壓作為控制電壓輸入到電機(jī)控制器，分別控制機(jī)器人左履帶電機(jī)、右履帶電機(jī)、武器上下調(diào)節(jié)電機(jī)、武器左右調(diào)節(jié)電機(jī)。

當(dāng)電壓為2.5 V時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；電壓小于2.5 V時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；電壓大于2.5 V時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。對于左履帶和右履帶，通過輸出的控制電壓，可實(shí)現(xiàn)車體前進(jìn)、后退的無級變速，以及左、右轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)控制。

1.5 電源供電電路

鋰電池具有體積小、重量輕、容量大的特點(diǎn)。機(jī)器人內(nèi)置2組24 V供電電池。第1組24 V電池為左履帶電機(jī)、右履帶電機(jī)、武器上下調(diào)節(jié)電機(jī)、武器左右調(diào)節(jié)電機(jī)供電。第2組24 V電池經(jīng)過DC/DC模塊，轉(zhuǎn)換成12 V電壓和5 V電壓。12 V電壓用來給機(jī)器人上的無線電臺(tái)供電。5 V電壓為控制電路供電，同時(shí)經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成3.3 V和1.8 V電壓為DSP供電。為了監(jiān)測DSP芯片供電電壓是否正常，增加了電壓監(jiān)控電路，當(dāng)DSP芯片供電不正常時(shí)，可將此故障報(bào)送到電臺(tái)發(fā)送到遙操控終端。

圖4 電源工作原理Fig.4 Power supply principle

2 單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖5所示，上電初始化處理器的I/O端口、A/D端口、串口等資源，初始化完畢開始與遙操控終端軟件進(jìn)行通信，握手成功后，開啟軟件定時(shí)器、中斷，定時(shí)采集機(jī)器人信息，包括超聲波避障、電量測量值、GPS信息[6]。

當(dāng)串口2即機(jī)器人無線電臺(tái)出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)中斷時(shí)，表明接受到來自遙操控終端的控制數(shù)據(jù)，此時(shí)處理器進(jìn)入中斷服務(wù)程序，如圖6所示。中斷程序首先將串口2接收到的數(shù)據(jù)保存到寄存器，然后將最新采集的機(jī)器人信息按照預(yù)定格式發(fā)送到串口2，通過機(jī)器人無線電臺(tái)發(fā)送給遙操控終端。程序還需要根據(jù)串口2所接到的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的格式分配到處理器的各個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)遙操控終端的控制指令，包括武器擊發(fā)開關(guān)、手電開關(guān)、攝像頭廣角窄角切換、左履帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、右履帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、武器高低轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、武器左右轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。

圖5 主程序框圖Fig.5 Main program flow chart

圖6 中斷服務(wù)程序框圖Fig.6 Interrupt service routine flow chart

3 結(jié)束語

單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人便于攜帶、操控簡單、可廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、武警部隊(duì)。文中所設(shè)計(jì)的單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、設(shè)計(jì)合理，理論試驗(yàn)驗(yàn)證可行，在實(shí)際應(yīng)用中得到了用戶的認(rèn)可。

[1]王海彬.國外地面軍用機(jī)器人系統(tǒng) [J].汽車運(yùn)用，2005（11）:18-20 WANG Hai-bin.Surface military robotic system of foreign country[J].Auto Application，2005（11）:18-20.

[2]高峻峣.國外軍用機(jī)器人系統(tǒng)綜述 [J].機(jī)器人，2003（12）：746-750.GAO Jun-yao.Survey of military mobile robotic systems in foreign country[J].Robot，2003（12）:746-750.

[3]朱禮堯.機(jī)器人作戰(zhàn)平臺(tái)操控終端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（8）:940-942.ZHU Li-yao.Design on control terminal system of robot fighting platform[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2010（8）:940-942.

[4]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5]萬山明.TMS320F281X DSP原理及應(yīng)用實(shí)例 [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6]張愛麗.基于PC104的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2005（8）:81-83.ZHANG Ai-li.GPS data acquisition based on PC104[J].Computer Programming Skills&Maintenance，2005（8）:81-83.