徐文

摘 要：MCU端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量是影響循跡機(jī)器人工作效率、適應(yīng)突發(fā)任務(wù)變更和異常狀態(tài)能力的重要因素，但目前普適性的改進(jìn)手段不多。本文通過遙控競賽機(jī)器人任務(wù)特征分析，設(shè)計基于位置關(guān)聯(lián)的控制設(shè)備與機(jī)器人間通訊協(xié)議，使用鏈表進(jìn)行任務(wù)節(jié)點的封裝和序列構(gòu)造，最終基于位置信息實施控制流程。結(jié)果表明，任意給定任務(wù)序列能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)。相對順序式控制流程，該軟件結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)流程設(shè)計在路徑優(yōu)化的同時還能適應(yīng)任務(wù)序列的重整定。

關(guān)鍵詞：循跡機(jī)器人；任務(wù)序列；軟件結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-1472（2018）-11-31-03

1 引言（Introduction）

目前循跡機(jī)器人的應(yīng)用研究側(cè)重于本體組成設(shè)計[1]、路徑優(yōu)化設(shè)計[2]、穩(wěn)定驅(qū)動設(shè)計[3，4]、傳感器選型設(shè)計[5]等領(lǐng)域，機(jī)器人本體MCU（Microcontroller Unit）控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)注偏低。本文以一款遙控智能賽車（以下稱“循跡機(jī)器人”）、安卓遙控手機(jī)（以下稱“移動控制端”）為實驗對象，以賽道地圖、任務(wù)集合為需求輸入，通過任務(wù)節(jié)點的特征分析，給出有效的循跡機(jī)器人控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2 任務(wù)分析（Task analysis）

2.1 任務(wù)概述

利用移動控制端軟件，控制循跡機(jī)器人完成賽道上的各項任務(wù)，如圖1所示。賽道地圖背景色為灰色無光；賽道為白色，寬30cm；尋跡線為黑色，寬3cm；循跡機(jī)器人以循跡線為賽道在行駛的同時完成移動控制端下發(fā)的各工作點任務(wù)，以入車庫為任務(wù)終點。圖中A、B、C三個位置為工作點停車線，A、B、兩處可按指令前進(jìn)到工作線位置，C點則通過測距或固定位移方式前進(jìn)，停車后執(zhí)行任務(wù)。1#車庫為起點，2～4#為候選入庫停車位。

2.2 任務(wù)特征細(xì)分

通過對循跡機(jī)器人（含移動控制端）任務(wù)特征的類屬、執(zhí)行設(shè)備、通訊方式、賽道位置和參數(shù)等維度項的分析，歸結(jié)為表1所示的任務(wù)特征細(xì)分。類屬的候選值有：A循跡路徑驅(qū)動、B信號檢測、C攝像及視頻nfc信息處理、D賽道指令，其中A、B、D類任務(wù)由循跡機(jī)器人執(zhí)行，C類由移動控制端執(zhí)行。執(zhí)行設(shè)備包括：A下位機(jī)（循跡機(jī)器人）、B上位機(jī)（移動控制端）。通訊方式的候選值有：A由上位機(jī)向下位機(jī)單向發(fā)送、B由下位機(jī)向上位機(jī)單向發(fā)送、C雙向傳輸（存在握手需求：即機(jī)器人接受命令并執(zhí)行后需向安卓移動端返回執(zhí)行結(jié)果）、D無需通訊。賽道位置由命令幀或者數(shù)據(jù)報幀決定，表1不作定義。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

循跡機(jī)器人的硬件系統(tǒng)構(gòu)成包括：核心板、循跡驅(qū)動板、任務(wù)板和云臺攝像頭等部件。核心板采用宏晶STC15系列IAP15F2K61S2為MCU，通過電纜分別與其他部件連接，Keil C51為開發(fā)平臺。循跡采用8組紅外對管（TCR T5000），驅(qū)動采用L298N器件，用PWM信號驅(qū)動兩側(cè)車輪電機(jī)。任務(wù)板包括超聲波測距、光強(qiáng)度檢測、光敏檢測、紅外收發(fā)等器件。

3 MCU軟件結(jié)構(gòu)（MCU software structure）

文獻(xiàn)[6，7]在機(jī)器人本體MCU上采用順序式控制，缺少對于任務(wù)序列的結(jié)構(gòu)性變更、隨機(jī)性調(diào)整的靈活性，軟件的冗余度偏高。本文根據(jù)任務(wù)特征細(xì)分和循跡機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，MCU軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：與移動控制端的通訊協(xié)議、任務(wù)節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、主控流程。

3.1 通訊協(xié)議

移動控制端通過WIFI轉(zhuǎn)串口方式向循跡機(jī)器人發(fā)ASCⅡ格式命令幀，包括下列字段：命令幀起始字符、命令協(xié)議字符（必要時附帶2位十進(jìn)制參數(shù)數(shù)）、通訊方式字符（同表1）、機(jī)器人位置（同表2）字符、命令幀結(jié)尾字符。

循跡機(jī)器人向移動控制端發(fā)送數(shù)據(jù)報幀包括下列字段：數(shù)據(jù)幀起始字符、傳感器數(shù)據(jù)（4位十進(jìn)制數(shù)）、信號協(xié)議字符（命令幀中的信號采集命令協(xié)議字符）、機(jī)器人位置（同表2）、數(shù)據(jù)幀結(jié)尾字符。

循跡機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)及位置如表2所示。圖1中的三個工作位置中A、B點均有停車線和工作線，C點停車線即工作線。

3.2 任務(wù)節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

循跡機(jī)器人通常在起點處獲得移動控制端下發(fā)的任務(wù)序列，在賽道上亦可隨機(jī)收取新任務(wù)并插入到任務(wù)序列中。異常狀態(tài)（如，出界）下，循跡機(jī)器人可主動插入數(shù)據(jù)報來重構(gòu)任務(wù)序列。根據(jù)循跡機(jī)器人任務(wù)節(jié)點的離散、有序、與位置關(guān)聯(lián)的特點，選擇鏈表表征任務(wù)節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)任務(wù)序列的構(gòu)造與管理。按照循跡機(jī)器人任務(wù)特征細(xì)分（表1），以及命令幀格式、數(shù)據(jù)報幀格式的設(shè)計，且便于反向追溯，循跡任務(wù)鏈表設(shè)計為雙鏈表：

#define uchar unsigned char //類型定義

uchar Robot_Status ； //機(jī)器人賽道狀態(tài)、位置

typedef struct { //循跡任務(wù)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

char Type； //類屬（缺省值：A）

char Executor； //執(zhí)行設(shè)備（缺省值：A）

char CommunicationMode； //通訊方式

char Command； //命令字符

uchar Location； //機(jī)器人位置：與執(zhí)行命令關(guān)聯(lián)的Robot_Status位置值，點動命令為空

uchar Status； //機(jī)器人狀態(tài)：當(dāng)前循跡任務(wù)結(jié)束時的Robot_Status狀態(tài)值

struct Task_Tracking *link_next； //直接后繼循跡任務(wù)的指針

struct Task_Tracking *link_before； //直接前驅(qū)循跡任務(wù)的指針

} Task_Tracking；

Task_Tracking * TrackingNow； //循跡任務(wù)鏈表當(dāng)前節(jié)點指針

根據(jù)賽道路徑上位置、狀態(tài)的有限可枚舉特征，全局變量Robot_Status的侯選值選取自表2。循跡除外的任務(wù)（以下稱多任務(wù)）與機(jī)器人位置關(guān)聯(lián)。參照循跡任務(wù)鏈表和命令協(xié)議字符設(shè)計，多任務(wù)鏈表設(shè)計為單鏈表：

typedef struct {//多任務(wù)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

……

} Task_Multiple；

Task_Multiple* MultipleHead； //多任務(wù)鏈表表頭指針

Task_Multiple中包括：類屬（非A值）、執(zhí)行設(shè)備、通訊方式、命令字符、命令字符附帶2位十進(jìn)制數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)4位十進(jìn)制數(shù)、傳感器信號協(xié)議字符、機(jī)器人位置、直接后繼節(jié)點指針等。

移動控制端下發(fā)任務(wù)序列后循跡機(jī)器人構(gòu)建循跡任務(wù)鏈表和多任務(wù)鏈表，并對循跡任務(wù)鏈表基于位置屬性排序，此時TrackingNow和MultipleHead均為表頭指針。而后進(jìn)入主控流程，通過串口中斷隨機(jī)收新任務(wù)時則插入到任務(wù)鏈表中。

3.3 主控流程

在完成系統(tǒng)時鐘、各端口、外設(shè)、定時器、鏈表（初始時節(jié)點為空）及指針等全局變量初始化后，循跡機(jī)器人主控流程如圖2所示，闡述如下：

0.查詢收到的任務(wù)字符。如有且為A類任務(wù)則插入到循跡任務(wù)鏈表，如有且為其他任務(wù)則插入到多任務(wù)鏈表。

1.從MultipleHead開始，向鏈表尾部方向移動指針方式查找Location值為空的節(jié)點。未找到則跳轉(zhuǎn)至步驟5。

2.找到則執(zhí)行節(jié)點任務(wù)，完畢后校驗CommunicationMode值。其值不為C跳至步驟4。

3.值為C，按照表4的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個數(shù)據(jù)報，并通過串口轉(zhuǎn)WiFi發(fā)送至移動控制端。

4.刪除該節(jié)點，返回步驟1。

5.校驗TrackingNow，值為空則返回步驟1。

6.執(zhí)行節(jié)點任務(wù)，完畢后用當(dāng)前狀態(tài)位置更新Status并修正Robot_Status。

7.從MultipleHead開始，向鏈表尾部方向移動指針方式查找Location值與Robot_Status相匹配的節(jié)點，未找到則跳轉(zhuǎn)至步驟11。

8.找到則執(zhí)行節(jié)點任務(wù)，完畢后校驗CommunicationMode值。其值不為C跳至步驟10。

9.值為C，按照表4的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個數(shù)據(jù)報，并通過串口轉(zhuǎn)WiFi發(fā)送至移動控制端。

10.刪除該節(jié)點，返回步驟7。

11.校驗Robot_Status，為異常狀態(tài)或者結(jié)束狀態(tài)值（表5中的1、2、3、13）則按照表4的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一個數(shù)據(jù)報，并通過串口轉(zhuǎn)WiFi發(fā)送至移動控制端。

12.將TrackingNow更新為后繼節(jié)點指針，返回步驟0。

4 結(jié)論（Conclusion）

以上MCU端軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)試驗證明，能夠有效保障循跡機(jī)器人完成其總體任務(wù)目標(biāo)，并在隨機(jī)接收臨時任務(wù)和工作狀態(tài)異常時實時調(diào)整任務(wù)序列，實現(xiàn)任務(wù)序列可整定功能。目前循跡機(jī)器人得到較廣泛用[8]，本設(shè)計試圖為結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)環(huán)境中提高移動機(jī)器人控制軟件的執(zhí)行效率、降低設(shè)計成本提供案例和建設(shè)思路。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 劉強(qiáng)，王超然，汪神岳，等.基于嵌入式系統(tǒng)的智能取書機(jī)器人設(shè)計[J].測控技術(shù)，2018，37（3）：36-40.

[2] 李元，王石榮，于寧波.基于RGB-D信息的移動機(jī)器人SLAM和路徑規(guī)劃方法研究與實現(xiàn)[J].智能系統(tǒng)學(xué)報，2018，13（3）：445-451.

[3] 黃剛.實時修正偏移量的循跡機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報，2015，36（11）：2538-2546.

[4] 張志美，程立英，趙以恒，等.基于模糊PID控制算法的導(dǎo)盲機(jī)器人研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，33（1）：81-85.

[5] 牛國臣，許開魯.基于線性CCD的類人機(jī)器人循跡系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（5）：133-136；140.

[6] 劉家春，劉利，劉鑫，等.基于競賽的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].山東理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（2）：6-111.

[7] 張少華，劉富，劉利，等.面向競賽的果園噴藥機(jī)器人設(shè)計[J].機(jī)械工程與自動化，2018（2）：153-156.

[8] 劉立軍.基于單片機(jī)智能循跡機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2017，24（5）：42-45；68.

作者簡介：

徐 文（1967-），男，碩士，高級工程師.研究領(lǐng)域：嵌入式應(yīng)用，自動控制.