吳立成 李霞麗 鄶新凱 楊國(guó)勝

(中央民族大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100081)

水上行走機(jī)器人是一種仿生“水蜘蛛”的微型機(jī)器人，利用機(jī)器人絲狀腿部的表面張力在液體表面站立和行走［1］.因其特殊的運(yùn)動(dòng)方式在偵察勘測(cè)、水質(zhì)監(jiān)控、液面清污等領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景.最早見諸文獻(xiàn)的水上行走機(jī)器人是美國(guó)麻省理工大學(xué)的“Water Strider”［2］.隨后，卡耐基-梅隆大學(xué)制作了名為Water Walker的水上行走機(jī)器人［3］，吳立成等制作了 Water Dancer機(jī)器人［4］.但上述機(jī)器人都沒(méi)有遙控功能.Water Dancer的下一代樣機(jī)Water DancerⅡ-a型水上行走機(jī)器人的控制方式為無(wú)線、遠(yuǎn)距離控制［5］，這就需要開發(fā)一款與之相配套的遙控裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作.針對(duì)水上行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求，本文提出了紅外遙控的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種水上行走機(jī)器人紅外遙控器.

1 遙控器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)總體方案

遙控器控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:遙控裝置根據(jù)按鍵決定的機(jī)器人運(yùn)行模式，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射特定編碼的紅外信號(hào)指令，并由機(jī)器人本體接收指令后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的啟動(dòng)/停止、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和模式轉(zhuǎn)換等操作.遙控裝置配裝數(shù)碼管和發(fā)光二極管等組成顯示模塊，用于顯示機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài).針對(duì)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，控制系統(tǒng)分為控制器、紅外通信模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵模塊和電源模塊等幾個(gè)模塊.

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

1.2 控制器模塊

系統(tǒng)的主控制器采用 TI公司的MSP430F1222單片機(jī)，它是一款超低功耗FLASH型16位RISC指令集單片機(jī).控制器和各引腳的功能如圖2所示.

1.3 紅外通信模塊

遙控裝置中紅外通信過(guò)程的簡(jiǎn)單原理如圖3所示.當(dāng)有按鍵按下時(shí)，控制器輸出載波為38 kHz的信號(hào)給紅外發(fā)射管，機(jī)器人通過(guò)紅外接收頭進(jìn)行接收，然后解碼.

圖3 紅外通信原理

接收模塊使用MN01-2-CB型紅外接收頭，工作原理為:紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理;然后，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào);最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行放大輸出，還原出原來(lái)的數(shù)字編碼［6］.

1.4 數(shù)碼管顯示模塊

本文設(shè)計(jì)的遙控裝置通過(guò)2個(gè)八段數(shù)碼管顯示機(jī)器人的工作模式.一個(gè)數(shù)碼管顯示左電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)顯示右電機(jī)狀態(tài).當(dāng)外部信號(hào)通過(guò)按鍵傳送到主控制器后，主控制器通過(guò)紅外發(fā)射管將控制信號(hào)傳送給機(jī)器人本體，同時(shí)通過(guò)譯碼芯片使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)示.其設(shè)計(jì)原理如圖4所示.其中譯碼器件采用TI公司的CD4511芯片，該芯片具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制及七段譯碼功能［7］.

圖4 數(shù)碼管顯示原理圖

1.5 按鍵模塊

按鍵模塊主要包括8個(gè)按鍵S1～S8，分別與單片機(jī)的P1.0～P1.7相連.若按鍵被有效按下，其相應(yīng)的管腳為低電平，否則為高電平，可以通過(guò)掃描引腳的方式來(lái)判斷按鍵是否被按下.8個(gè)按鍵所實(shí)現(xiàn)的功能分別包括電機(jī)的啟動(dòng)/停止、同時(shí)前進(jìn)、同時(shí)加速、左加速、左減速、右加速、右減速以及機(jī)器人自主/手動(dòng)切換模式等.設(shè)計(jì)原理如圖5所示.圖中，D1和D2是指示燈，D1燈亮表示遙控器處于正常工作狀態(tài)，D2燈亮表示機(jī)器人處于自主運(yùn)動(dòng)狀態(tài).電阻R和電容C構(gòu)成防抖電路［8］.

圖5 按鍵設(shè)計(jì)圖

1.6 電源模塊

遙控器采用2節(jié)干電池進(jìn)行供電，為防止電壓下降使系統(tǒng)不能正常工作，電源模塊采用TI公司的TPS63001芯片來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓，以增加設(shè)計(jì)的實(shí)用性［9］.

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)在MSP430單片機(jī)的開發(fā)調(diào)試環(huán)境IAR Embedded Workbench下采用純C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)［10］.遙控器的軟件程序主要完成遙控信號(hào)的編碼、調(diào)制和發(fā)射以及對(duì)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)的顯示和自主/手動(dòng)模式的切換.

紅外遙控信號(hào)的發(fā)射程序流程圖如圖6(a)所示.主程序主要完成控制器的初始化和循環(huán)檢測(cè)按鍵是否被按下以及數(shù)碼管顯示的功能.初始化主要包括:設(shè)定各個(gè)變量的初值，初始化I/O端口、時(shí)鐘、定時(shí)器工作方式，并根據(jù)給定的波特率計(jì)算計(jì)時(shí)器初值等.定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)主要負(fù)責(zé)將調(diào)制好的信號(hào)按設(shè)定的波特率串行發(fā)送出去，流程圖如圖6(b)所示.

圖6 軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)

完成后的遙控器裝置如圖7所示.為了測(cè)試所開發(fā)遙控器的各項(xiàng)功能，首先進(jìn)行了顯示功能測(cè)試.啟動(dòng)遙控器，通過(guò)按鍵先后輸入停止、同時(shí)加速和同時(shí)減速以及順時(shí)針原地轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)和自主運(yùn)動(dòng)指令，顯示結(jié)果如圖8所示，證明該遙控器實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的狀態(tài)顯示功能.

圖7 遙控器實(shí)物圖

然后進(jìn)行紅外發(fā)射功能的測(cè)試.當(dāng)有按鍵按下時(shí)，控制器將命令信號(hào)加載到38 kHz的載波上輸出給紅外發(fā)射管，紅外發(fā)射管上的載波波形通過(guò)示波器測(cè)試的結(jié)果如圖9所示.

最后通過(guò)按鍵先后輸入停止、同時(shí)加速和左電機(jī)停止右電機(jī)加速指令，PWM波輸出波形如圖10所示，驅(qū)動(dòng)波形完全正確，證明該遙控器實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制作用.

圖8 遙控器實(shí)驗(yàn)效果圖

圖9 加載到紅外發(fā)射管上的載波波形

圖10 機(jī)器人本體產(chǎn)生的PWM波波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Water DancerⅢ水上行走機(jī)器人的紅外遙控裝置.所實(shí)現(xiàn)的遙控器以紅外光為載體，發(fā)射控制編碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作.針對(duì)水上行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)需求，該遙控裝置通過(guò)按鍵可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、調(diào)速和自主/手動(dòng)切換模式等功能，并且還可通過(guò)數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示出該機(jī)器人當(dāng)前所在的運(yùn)行狀態(tài).

References)

［1］吳立成，孫富春，袁海斌.水上行走機(jī)器人［J］.機(jī)器人，2010，32(3):443-448.Wu Licheng，Sun Fuchun，Yuan Haibin.Water strider robot［J］.Robot，2010，32(3):443-448.(in Chinese)

［2］Hu D L，Chan B，Bush J W M.The hydrodynamics of water strider locomotion［J］.Nature，2003，424(6949):663-666.

［3］Suhr S H，Song Y S，Lee S J，et al.Biologically inspired miniature water strider robot［C］//Proceedings of the Robotics:Science and Systems I.Boston，USA:2005:319-325.

［4］吳立成，丁樑，郭棟，等.水上漂浮仿生水黽機(jī)器人:中國(guó)，200610112601.7［P］.2006-08-25.

［5］Wu Licheng，Lian Zhipeng，Yang Guosheng，et al.Water DancerⅡ-a:a non-tethered telecontrollable water strider robot［J］.International Journal of Advanced Robotic Systems，2011，8(4):10-17.

［6］連志鵬.水上行走機(jī)器人的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究［D］.北京:北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2010.

［7］Texas Instruments.CMOS BCD-to-7-segment latch discoder drivers［EB/OL］.(2003-06-27)［2012-01-10］.http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/cd4511b.html.

［8］康春雨.幾種常用開關(guān)防抖電路的簡(jiǎn)介［J］.電子世界，2009(11):43-44.Kang Chunyu.The profile of several commonly used antishake switch circuit［J］.Electronics World，2009(11):43-44.(in Chinese)

［9］謝楷，趙建.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［10］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.