于 惠, 王曉飛, 盧 凱

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

空間站移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 惠, 王曉飛, 盧 凱

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

針對(duì)空間站移動(dòng)機(jī)器人的工作特點(diǎn)、環(huán)境以及增強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)對(duì)突發(fā)問(wèn)題的能力，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括PC上位機(jī)、無(wú)線收發(fā)模塊、下位單片機(jī)、雙目立體攝像機(jī)、超聲測(cè)距傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該控制系統(tǒng)基于上下位機(jī)的集成模式，下位機(jī)負(fù)責(zé)Bumblebee2雙目立體攝像機(jī)和超聲測(cè)距傳感器信息采集、指令接收、功能執(zhí)行等;上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、指令發(fā)送等。上下位機(jī)之間采用串口通信方式，利用無(wú)線收發(fā)模塊可以方便地實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)無(wú)線控制。

移動(dòng)機(jī)器人； 雙目立體攝像機(jī)； 無(wú)線控制； 串口通信

0 引 言

移動(dòng)機(jī)器人在各行業(yè)及研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，是替代人在危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下作業(yè)必不可少的工具，可以輔助完成人類無(wú)法完成的作業(yè)[1]。本文研究的是應(yīng)用于空間站的移動(dòng)機(jī)器人，目的是減少宇航員的工作量，從而降低成本。而在空間站這一特殊環(huán)境中，移動(dòng)機(jī)器人處理突發(fā)事件的能力就顯得尤為不足，所以移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為研究的關(guān)鍵[2]?？紤]到開發(fā)經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜度等問(wèn)題，本文控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)的集成模式。下位機(jī)負(fù)責(zé)信息采集、接收指令、功能執(zhí)行等；上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、指令發(fā)送等。上下位機(jī)之間采用串口通信方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)無(wú)線控制[3]。

1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)、無(wú)線收發(fā)模塊、下位單片機(jī)、雙目立體攝像機(jī)、超聲測(cè)距傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)采用Navigator Q2機(jī)器人為控制平臺(tái)，以STM32F407單片機(jī)為控制器。首先STM32F407單片機(jī)接收Bumblebee雙目立體攝像機(jī)和超聲測(cè)距傳感器采集的信息并進(jìn)行處理。信息經(jīng)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到上位機(jī)，使上位機(jī)能夠了解移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)信息。上位機(jī)根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)信息編排任務(wù)，通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)交互界面和手勢(shì)發(fā)送控制指令，進(jìn)而控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊將任務(wù)發(fā)送給移動(dòng)機(jī)器人控制器，由控制器讀取并解析收到的指令，同時(shí)通過(guò)串口把收到的控制指令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，使移動(dòng)機(jī)器人完成指定的動(dòng)作。手勢(shì)發(fā)送控制指令是由位于移動(dòng)機(jī)器人上的攝像機(jī)讀取手勢(shì)并發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)處理并識(shí)別手勢(shì)后，把指令信息發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[4]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人硬件主要包括移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)、傳感器、無(wú)線收發(fā)模塊等。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。

2.1 傳感器

2.1.1 雙目立體攝像機(jī)

移動(dòng)機(jī)器人采用Bumblebee2雙目立體攝像機(jī)，可以實(shí)時(shí)獲取場(chǎng)景的深度信息和三維模型。Bumblebee2有2倍于Bumblebee的幀率，擁有高質(zhì)量的CCD傳感器和高速1394接口。Bumblebee2雙目立體攝像機(jī)具有結(jié)構(gòu)精密、體積小、質(zhì)量輕、功耗小等特點(diǎn)，并且在靈敏度、分辨率和實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫婢哂辛己玫奶匦?。在目?biāo)跟蹤、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[5]。Bumblebee2雙目立體攝像機(jī)經(jīng)過(guò)IEEE1394線傳到單片機(jī)上，進(jìn)行相應(yīng)的視覺算法處理。

圖2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1.2 超聲測(cè)距傳感器

超聲波測(cè)距傳感器的作用主要是避免機(jī)器人遇到障礙物時(shí)用戶來(lái)不及控制而導(dǎo)致機(jī)器人碰壁，防止硬件遭到碰撞受損，延遲機(jī)器人的使用壽命[6]。移動(dòng)機(jī)器人采用ULB-16超聲測(cè)距傳感器，數(shù)字量輸出，并能通過(guò)CAN總線、RS-232任意配置，對(duì)整個(gè)模組進(jìn)行編程控制與數(shù)據(jù)讀取。超聲測(cè)距傳感器將16路超聲探測(cè)器集成在一起，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，對(duì)0.25～3.00 m內(nèi)的物體進(jìn)行精確測(cè)距。該模組能大大簡(jiǎn)化上層設(shè)備對(duì)多傳感器的協(xié)調(diào)管理，便于系統(tǒng)集成并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。16路測(cè)距傳感器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65，能夠適應(yīng)室外的應(yīng)用場(chǎng)合。超聲測(cè)距傳感器通過(guò)CAN總線與STM32F407相連，并將數(shù)據(jù)信息傳送到單片機(jī)。

2.2 下位單片機(jī)控制器

下位機(jī)控制器由STM32F407單片機(jī)構(gòu)成，是移動(dòng)機(jī)器人的大腦，綜合處理各方面的信息并做出即時(shí)的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。該模塊主要負(fù)責(zé)完成傳感器的信息采集、電機(jī)控制以及與PC機(jī)的通信。STM32F407單片機(jī)工作頻率可達(dá)168 MHz，完全能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。采用Cortex-M4F內(nèi)核,該內(nèi)核具有高性能、低功耗和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它還實(shí)現(xiàn)了一套完整的DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元，從而提高應(yīng)用程序安全性的同時(shí)也滿足了系統(tǒng)成本的低功耗[7]。

移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器是其動(dòng)作執(zhí)行部分，具體完成機(jī)器人的動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等。移動(dòng)機(jī)器人采用四輪結(jié)構(gòu)，采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線、轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要對(duì)2驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行安排，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制完成移動(dòng)機(jī)器人的速度和轉(zhuǎn)向控制。移動(dòng)機(jī)器人所使用的電機(jī)為直流電機(jī)。

選用雙極性PWM驅(qū)動(dòng)芯片L298N，它是一種能夠承受高壓大電流的全橋型直/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，具備兩通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，OUT1、OUT2與OUT3、OUT4分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。其中5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的運(yùn)行。接口芯片輸出兩組PWM波，每組PWM波控制一個(gè)電機(jī)的速度。I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，P10、P11控制第1個(gè)電機(jī)的方向、PWM1控制第1個(gè)電機(jī)的速度；P12、P13控制第2個(gè)電機(jī)的方向、PWM2控制第2個(gè)電機(jī)的速度。電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片L298N可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的加速、減速、停止，同時(shí)通過(guò)兩個(gè)電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等功能[8-9]。L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)邏輯表如表1所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接圖

表1 L298N邏輯功能表

2.3 無(wú)線收發(fā)

移動(dòng)機(jī)器人的控制命令及傳感器數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性和故障率具有較高的要求。因此，無(wú)線收發(fā)模塊采用PTR2000超小型無(wú)線收發(fā)數(shù)傳Modem，該Modem體積小且接收發(fā)射合一，方便移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人攜帶。其工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段433 MHz，采用FSK調(diào)制，低發(fā)射功率、高接收靈敏度。該模塊通信速率最高為20 kb/s，也可以在較低速率下工作，無(wú)須設(shè)置模塊通信速率。發(fā)射數(shù)據(jù)前將模塊置于發(fā)送模式，可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。發(fā)射結(jié)束后將模塊置于接收模式，可以接收任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。

STM32F407單片機(jī)主要功能是對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行分析和處理，將處理后的信息經(jīng)PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到PC上位機(jī)。PC上位機(jī)根據(jù)接收到的信息分析移動(dòng)機(jī)器人所處的環(huán)境，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊向移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送控制指令。與STM32F407單片機(jī)相連的 PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊首先將STM32F407單片機(jī)的待傳數(shù)據(jù)調(diào)制成射頻信號(hào)，之后發(fā)送到PC機(jī)端的PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊，同時(shí)接收PC上位機(jī)機(jī)端的PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊傳送的射頻信號(hào)，并將其調(diào)制成單片機(jī)可識(shí)別的TTL信號(hào)，之后送至單片機(jī)[10]。決定 PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊工作模式主要有TXEN、CS、PWR3個(gè)引腳，這3個(gè)引腳分別與STM32F407單片機(jī)I/O控制口的P2.0～P2.2相連。PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊工作時(shí)，由STM32F407單片機(jī)實(shí)時(shí)控制其工作模式。PTR2000與STM32F407單片機(jī)連接電路如圖4所示。

圖4 PTR2000與STM32F407單片機(jī)連接電路圖

計(jì)算機(jī)串口與PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊連接首先需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，由于PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊支持的是TTL電平，故選擇MAX232對(duì)兩者間的電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 當(dāng)PWR接高電平VCC時(shí)，PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊固定在正常工作狀態(tài)；當(dāng)頻道選擇引腳CS接GND低電平時(shí)，采用的是固定通信頻道1，工作頻道為433.92 MHz；PC上位機(jī)串口RTS信號(hào)控制PTR2000的TXEN引腳，用來(lái)決定PTR2000的接收與發(fā)射狀態(tài)；計(jì)算機(jī)串口的RXD和TXD需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，之后分別與PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊的DO和DI引腳相連[11-12]。PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊與計(jì)算機(jī)串口連接電路如圖5所示。

圖5 PTR2000與計(jì)算機(jī)連接電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通信協(xié)議

移動(dòng)機(jī)器人與上位機(jī)之間的通信需要較高的可靠性以及較低誤碼率，因此需要為無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)切實(shí)可行的通信協(xié)議[13]。在本設(shè)計(jì)中,PC上位機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人之間的通信采用的是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)包格式。

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包由開始字符、設(shè)備類型符、設(shè)備地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)區(qū)、CRC校驗(yàn)及結(jié)束字符組成，如表2所示。

表2 控制指令數(shù)據(jù)包格式

表2中，第1 bit是一個(gè)數(shù)據(jù)包的開始，為固定值0xAA；第2 bit是設(shè)備類型，設(shè)為0xFF；第3 bit是設(shè)備在系統(tǒng)中的地址；CRC校驗(yàn)，2 bit，從開始字符到數(shù)據(jù)區(qū)最后1 bit的所有字符的16 byte CRC校驗(yàn)值。結(jié)束字符，表示數(shù)據(jù)包結(jié)束，固定為0x0D。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人將采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送到PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)信息編排任務(wù)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送控制命令，移動(dòng)機(jī)器人接收到指令后對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制軟件流程圖

系統(tǒng)控制的大體流程步驟：

(1) 移動(dòng)機(jī)器人上的單片機(jī)初始化之后一邊等待上位機(jī)的控制命令;一邊采集Bumblebee雙目立體攝像機(jī)和超聲測(cè)距傳感器信息并對(duì)信息進(jìn)行分析、處理。

(2) 單片機(jī)將處理后的傳感器信息通過(guò)PTR2000無(wú)線模塊傳送到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)這些信息編排移動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)，通過(guò)人機(jī)交互界面輸入控制命令(如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)等)，通過(guò)PTR2000無(wú)線模塊將控制指令發(fā)送到移動(dòng)機(jī)器人上的STM32F407單片機(jī)。

(3) 移動(dòng)機(jī)器人上的STM32F407單片機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊PTR2000接收控制指令后進(jìn)行解析，并將控制指令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人按控制指令運(yùn)行。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位PC機(jī)控制程序是基于VC++環(huán)境開發(fā)的，實(shí)現(xiàn)的功能主要有：顯示輸入的命令、與移動(dòng)機(jī)器人通信、控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。人機(jī)界面如圖7所示。

圖7 人機(jī)界面

因?yàn)榇谕ㄐ啪哂袇f(xié)議簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)，所以選擇RS232串口通信方式。VC++是一種面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)工具，提供了良好的設(shè)計(jì)資源。目前Win32中基于VC++的常用串口通信方式有[14]：① 利用MSComm控件；② 利用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本文要實(shí)現(xiàn)的是利用串口通信的方式對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行控制，采用Active X控件即可滿足設(shè)計(jì)需求。

MSComm通信控件是最常用的Active X串口控件之一，它提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的接口，允許建立串口連接，可以連接到其他通信設(shè)備，能發(fā)送、接收命令，而且還可以在VC++等語(yǔ)言中使用[15]。本文選用的MSComm控件采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，事件發(fā)生時(shí)將產(chǎn)生通知，MSComm通信控件提供的OnComm事件可以捕獲并處理這些事件[16]。圖8所示為無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)流圖。

圖8 無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)流程圖

4 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)測(cè)試

完成移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件的設(shè)計(jì)后，需要運(yùn)行自己設(shè)計(jì)的軟件對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試。通信之前要選擇串口和波特率，然后打開串口程序會(huì)提示串口打開成功。在發(fā)送區(qū)內(nèi)的編輯框輸入要發(fā)送的控制指令，然后點(diǎn)擊“手動(dòng)發(fā)送”按鈕發(fā)送指令，也可以選擇自動(dòng)發(fā)送方式，按固定的周期發(fā)送指令，此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人會(huì)根據(jù)發(fā)送的指令做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

對(duì)移動(dòng)機(jī)器人做如下測(cè)試:① 測(cè)試1。移動(dòng)機(jī)器人設(shè)定向前、后、左、右直線運(yùn)動(dòng)，分別進(jìn)行了5次測(cè)試，移動(dòng)機(jī)器人均能按照指令正確前進(jìn)。② 測(cè)試2。移動(dòng)機(jī)器人原地順時(shí)針、逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，分別運(yùn)行5次進(jìn)行測(cè)試，移動(dòng)機(jī)器人均能按指令正確運(yùn)動(dòng)。③ 測(cè)試3。移動(dòng)機(jī)器人分別設(shè)計(jì)自動(dòng)發(fā)送與手動(dòng)發(fā)送控制指令功能，選擇自動(dòng)發(fā)送時(shí)移動(dòng)機(jī)器人需要每次點(diǎn)擊發(fā)送指令才能運(yùn)動(dòng)，當(dāng)選擇自動(dòng)發(fā)送時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人能一直按指令正確運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)機(jī)器人對(duì)PC機(jī)的無(wú)線控制命令能夠作出實(shí)時(shí)、正確的響應(yīng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究的是應(yīng)用于空間站環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人，采用Bumblebee雙目立體攝像機(jī)和超聲測(cè)距傳感器，基于STM32F407單片機(jī)與PC機(jī)相結(jié)合的無(wú)線控制系統(tǒng)，利用PC上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)無(wú)線控制，使得移動(dòng)機(jī)器人擺脫了對(duì)上位機(jī)在地域上的依賴。移動(dòng)機(jī)器人在工作中，控制人員可以遠(yuǎn)程觀察移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境，并對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與處理，提高移動(dòng)機(jī)器人的靈活性。

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Design of Wireless Control System for Mobile Robot in Space Station

YUHui,WANGXiaofei,LUKai

(School of Instrument Science and Opto Electronic Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

According to the working characteristics, the environment and the ability of the space station mobile robot in dealing with unexpected problems, a wireless control system for robot is designed. The hardware structure and principle of the system have been described in detail. The system mainly consists of PC host computer, wireless transceiver module, MCU, binocular stereo camera, ultrasonic distance sensor and motor driver. The control system is based on the integration model of upper and lower machines. The lower computer is responsible for the information collection from Bumblebee2 binocular stereo camera and the ultrasonic ranging sensor, the instruction receiving, function implementation, and so on. The upper computer is responsible for data display and storage and command transmission and so on. Serial communication mode is applied between the upper and lower machines. The communication between the PC and the mobile robot can be realized conveniently by using the wireless communication module so as to realize the real-time wireless control of the mobile robot.

mobile robot; binocular stereo camera; wireless control; serial communication

2016-05-26

北京信息科技大學(xué)傳感技術(shù)課程建設(shè)項(xiàng)目資助(2016KGYB12)

于 惠(1988-)，女，山東濟(jì)南人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娮訖z測(cè)技術(shù)。Tel.：15600648226； E-mail：yuhui_tt@163.com

王曉飛(1965-)，女，遼寧鞍山人，教授，主要從事電子測(cè)量技術(shù)的研究及教學(xué)工作。

Tel.：13661211927； E-mail：wangxiaofei@bistu.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)02-0071-05