謝 檬，張安莉

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院 電氣與信息工程系，西安 710018）

月球是地球的近鄰，也是地球惟一的天然衛(wèi)星。從20世紀(jì)50年代末至70年代初蘇聯(lián)共向月球發(fā)射了47個(gè)無(wú)人探測(cè)器，與此同時(shí)，美國(guó)也向月球發(fā)射了36個(gè)無(wú)人探測(cè)裝置[1-4]。人們通過(guò)全球性合作研究，對(duì)月球表面環(huán)境、土壤物理化學(xué)性質(zhì)、隕石坑的分布以及月球資源的開發(fā)前景等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，獲得了大量的科學(xué)依據(jù)，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)原來(lái)月球的資源是非常豐富的，開發(fā)利用的前景非常廣闊[5-7]。另外，開展月球探測(cè)不僅有重要的科學(xué)技術(shù)意義，而且有極其深遠(yuǎn)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義，以及重要的軍事政治意義。開發(fā)利用月球礦產(chǎn)資源、能源和特殊環(huán)境，建設(shè)月球基地，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，已成為新世紀(jì)月球探測(cè)的總體目標(biāo)[8-10]。本文以MSP430F5438微控制器作為主控器，通過(guò)MSP430內(nèi)置的串口連接無(wú)線模塊與計(jì)算機(jī)連接的無(wú)線串口模塊通信，完成接收指令、尋找目標(biāo)、獲取坐標(biāo)、前進(jìn)避障、立即拍照等操作，并預(yù)留了部分按鍵，可以隨時(shí)進(jìn)行功能擴(kuò)展。

1 月球車控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作基本原理是上位機(jī)發(fā)送定位信號(hào)，下位機(jī)接收到定位信號(hào)后中斷當(dāng)前操作，進(jìn)入定位模塊，開始調(diào)整小車與周圍擋板夾角使其與周圍擋板垂直，然后發(fā)出超聲波信號(hào)測(cè)量x，y距離，在測(cè)得坐標(biāo)之后將數(shù)據(jù)返回上位機(jī)，發(fā)送完畢之后將小車姿態(tài)調(diào)整到定位之前姿態(tài)，進(jìn)入中斷之前的操作。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure block diagram of the control system

MSP430F5438單片機(jī)完成控制芯片之間的協(xié)調(diào)工作，并接收上位機(jī)下達(dá)的指令，使系統(tǒng)有序地完成各項(xiàng)任務(wù)。定位系統(tǒng)采用L298N芯片作為直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)。模擬月球車根據(jù)上位機(jī)下達(dá)的任務(wù)指令在2 m×2 m平面范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，返回當(dāng)前坐標(biāo)。模擬月球車的主要技術(shù)指標(biāo)為車身重量：2.5 kg；通信距離：200 m；工作時(shí)間：20 min；系統(tǒng)功耗：3 W；目標(biāo)光通量：500 lm；工作電壓：1.2 V/A×6.9 V；外部電源輸入：12 V/2 A。

1.2 電子指南針定位模塊

電子指南針模塊返回的角度通過(guò)單片機(jī)串口獲得以調(diào)整小車與2 m×2 m方形場(chǎng)地的夾角，當(dāng)夾角調(diào)整為0°的時(shí)候利用車體上的2個(gè)垂直擺放超聲波測(cè)距模塊測(cè)量距離，此時(shí)測(cè)得的距離即為橫縱坐標(biāo)，如圖2所示。

圖中X1，Y1為超聲波所測(cè)與周圍擋板的距離，由此可知模擬車此時(shí)坐標(biāo)就是（X1，2-Y1）。超聲波模塊只能測(cè)量與其所發(fā)射超聲波垂直物體的距離，因此必須使用指南針模塊在測(cè)距命令發(fā)出后，立即調(diào)整模擬車車身位置使得車載的超聲波與周圍擋板垂直。本模塊使用的電子指南針模塊型號(hào)為GY-26，其工作原理是通過(guò)磁傳感器中2個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位角度[11]。此羅盤支持RS232協(xié)議和I2C協(xié)議與其他設(shè)備通信，精度高、穩(wěn)定性高、并且具有重新標(biāo)定的功能，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，其輸出的波特率是9600 b/s，有連續(xù)輸出與詢問(wèn)輸出2種方式，具有磁偏角補(bǔ)償功能，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境[12]。

圖2 電子指南針定位模塊示意Fig.2 Schematic diagram of electronic compass positioning module

1.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波測(cè)距模塊使用了一體化超聲波發(fā)射、接收頭模塊HR-SR04，該模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到2 mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收與控制電路，測(cè)距開始后由I/O口向模塊Trig端子發(fā)送至少10 μs的高電平信號(hào)，此時(shí)模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，并且自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)的返回，有信號(hào)返回，則通過(guò)模塊Echo端子輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。即：

測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速）/2

1.4 系統(tǒng)供電模塊

人造航天器無(wú)一例外的具有電源儲(chǔ)備系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用直流穩(wěn)壓電源作為外置電源，模擬太陽(yáng)能電池。根據(jù)不同模塊對(duì)電源的要求，采用LM7805、LM317等穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)輸出3.3 V、5 V和9 V 3種電壓。

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便地驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50 V，持續(xù)輸出電流可達(dá)2 A，采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制，為防止因芯片損壞而燒毀微控制器，采用光耦隔離，不但可以保護(hù)控制部分電路的安全，而且還可以防止電機(jī)的感應(yīng)電壓干擾控制電路，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.6 鍵盤控制模塊

月球車鍵盤控制模塊有8個(gè)按鍵，全部安排在車體一側(cè)，分2組放置，第一組為系統(tǒng)及任務(wù)控制區(qū)，第二組為系統(tǒng)輔助控制功能區(qū)。各個(gè)按鍵的地址和功能如表1所示。

表1 按鍵的地址和功能表Tab.1 Address and function table

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件界面

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要收集月球車上傳的一些狀態(tài)信息及檢測(cè)得到的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)加以處理、顯示在界面特定區(qū)域內(nèi)。用戶即可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)判斷月球車的工作狀態(tài)。用戶也可以通過(guò)上位機(jī)界面按鈕向月球車下達(dá)控制指令，例如啟動(dòng)系統(tǒng)、停止系統(tǒng)、啟動(dòng)任務(wù)、停止任務(wù)、獲取坐標(biāo)、立即拍照和手動(dòng)控制月球車運(yùn)動(dòng)等功能。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控主界面Fig.3 PC monitoring main interface

1）控制界面菜單欄項(xiàng)目包括“文件”、“設(shè)置”、“任務(wù)”、“幫助”。菜單功能如下：

（1）“文件”：打開串口調(diào)試窗口，向下位機(jī)發(fā)送調(diào)試指令；也可以選擇退出上位機(jī)控制程序。

（2）“設(shè)置”：打開“設(shè)置”窗口，在這里可以修改上位機(jī)串行口通信的具體參數(shù)、對(duì)小車指南針進(jìn)行校準(zhǔn)和復(fù)位、修改超聲波測(cè)距的相關(guān)參數(shù)等操作。

（3）“任務(wù)”：控制系統(tǒng)任務(wù)的啟動(dòng)或停止。

（4）“幫助”：顯示幫助信息、關(guān)于信息。

2）“快捷設(shè)置”區(qū)：可以快速選擇串口號(hào)，設(shè)置所需控制的下位機(jī)ID；“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)”區(qū)顯示小車當(dāng)前狀態(tài)，“坐標(biāo)”欄顯示小車當(dāng)前所在坐標(biāo)信息；“當(dāng)前角度”欄顯示小車當(dāng)前所處的角度，以正東方向?yàn)?度；“溫度”欄顯示小車環(huán)境溫度；“最后通訊時(shí)間于”欄顯示小車與上位機(jī)最后建立通訊的時(shí)間。

3）“功能”區(qū)：用于向小車下達(dá)控制指令，在這可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)小車、停止小車；啟動(dòng)任務(wù)、停止任務(wù)；下方可以設(shè)置小車功能開關(guān)，例如自動(dòng)拍照、信息上傳、自動(dòng)避障、獲取坐標(biāo)、立即拍照等功能。

4）“手動(dòng)控制”區(qū)：可以手動(dòng)控制小車移動(dòng)，當(dāng)小車處于“待命”狀態(tài)時(shí)，該功能可用。

2.2 系統(tǒng)任務(wù)程序流程

系統(tǒng)任務(wù)主要是完成自動(dòng)尋找目標(biāo)光源、跟蹤光源、自動(dòng)避障、定位、到達(dá)目標(biāo)光源前以后停止任務(wù)，并自動(dòng)請(qǐng)求拍照上傳的任務(wù)。在執(zhí)行任務(wù)中若遇到上位機(jī)發(fā)送的定位信號(hào)，小車可自動(dòng)調(diào)整方位并獲取坐標(biāo)并將當(dāng)前坐標(biāo)返回上位機(jī)，發(fā)送完畢之后小車會(huì)自動(dòng)調(diào)整到之前中斷任務(wù)時(shí)的狀態(tài)。任務(wù)程序流程如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)處于激活狀態(tài)，并且任務(wù)已下達(dá)，系統(tǒng)開始控制車身左右旋轉(zhuǎn)尋找光源。車身默認(rèn)旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽?，轉(zhuǎn)動(dòng)弧度由車輪上安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量，測(cè)量值保存在系統(tǒng)全局變量中，在程序開始計(jì)數(shù)時(shí)先將所使用的計(jì)數(shù)器清零，然后驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。這時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器會(huì)返回脈沖，引起中斷，計(jì)數(shù)過(guò)程由中斷服務(wù)程序完成，即編碼器每輸出1個(gè)脈沖都會(huì)引起1個(gè)中斷，中斷自動(dòng)判斷脈沖來(lái)源于哪個(gè)編碼器，并使相應(yīng)的計(jì)數(shù)變量值自加1。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值后，旋轉(zhuǎn)停止，程序?qū)⒂?jì)數(shù)值清零。

小車旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)光源強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的停止值，小車會(huì)立即結(jié)束尋光，保存當(dāng)前亮度值，開始向光源所在方向運(yùn)動(dòng)，跟蹤光源。跟蹤光源時(shí)會(huì)反復(fù)由超聲波傳感器判斷前方是否有障礙物，如果有則避障，同時(shí)也會(huì)反復(fù)判斷光強(qiáng)是否達(dá)到停止值，如達(dá)到則任務(wù)結(jié)束，小車停止，執(zhí)行拍照程序。

圖4 任務(wù)流程Fig.4 Task flow chart

2.3 通信協(xié)議

模擬月球車通訊協(xié)議分為下位機(jī)部分和上位機(jī)部分，屬于服務(wù)器/客戶機(jī)協(xié)議。下位機(jī)主要以指令接收、信息上傳為主，上位機(jī)則偏重處理下位機(jī)上傳的信息，并下發(fā)控制指令。上位機(jī)通過(guò)控制界面按鈕向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本系統(tǒng)的通信協(xié)議控制指令共分為5段，包括接收方ID、發(fā)送方ID、信息類型、信息內(nèi)容、數(shù)據(jù)。ID標(biāo)識(shí)用來(lái)指示數(shù)據(jù)的流向，信息類型目前只有控制指令，信息內(nèi)容包括系統(tǒng)狀態(tài)控制、任務(wù)狀態(tài)控制、運(yùn)動(dòng)控制、系統(tǒng)設(shè)置、請(qǐng)求應(yīng)答。小車接收到指令數(shù)據(jù)字節(jié)后會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)容修改對(duì)應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)標(biāo)志或控制系統(tǒng)做相應(yīng)的功能。

2.4 狀態(tài)及定位信息上傳

系統(tǒng)工作時(shí)需要將自身所處環(huán)境的基本信息上傳至控制臺(tái)，便于操作人員監(jiān)控月球車的運(yùn)行狀態(tài)，并適時(shí)向月球車下達(dá)新的控制指令，程序流程如圖5所示。

2.5 定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)上位機(jī)發(fā)送定位信號(hào)，下位機(jī)接收到定位信號(hào)后中斷當(dāng)前操作，進(jìn)入定位模塊。首先調(diào)整小車與周圍擋板夾角使其與周圍擋板垂直，然后發(fā)出超聲波信號(hào)測(cè)量x，y距離，在測(cè)得坐標(biāo)之后將數(shù)據(jù)返回上位機(jī)，發(fā)送完畢之后將小車姿態(tài)調(diào)整到定位之前姿態(tài)，進(jìn)入中斷之前的操作，程序流程如圖6所示。

圖5 定位信息上傳流程Fig.5 Positioning information upload flow chart

圖6 定位系統(tǒng)程序流程Fig.6 Positioning system program flow chart

定位系統(tǒng)有2種工作方式：手動(dòng)控制與自動(dòng)尋找。月球小車上電初始化時(shí)會(huì)自動(dòng)獲取并記錄當(dāng)前角度和坐標(biāo)，作為系統(tǒng)默認(rèn)值。剛上電的小車處于“停止”狀態(tài)，此時(shí)只能接受開機(jī)指令。上位機(jī)通過(guò)控制界面向小車發(fā)送“啟動(dòng)小車”指令，小車隨即進(jìn)入“待命”狀態(tài)，此時(shí)可以接受任務(wù)指令，等待主控機(jī)下達(dá)任務(wù)指令。主控機(jī)通過(guò)控制界面向小車下達(dá)執(zhí)行任務(wù)的指令，此時(shí)小車狀態(tài)為“任務(wù)執(zhí)行中”，小車立刻開始控制自身旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)尋找目標(biāo)并確定目標(biāo)物相對(duì)自身的角度，然后向目標(biāo)物前進(jìn)，同時(shí)反復(fù)判斷是否走偏、是否前方有障礙物，如有障礙物則自動(dòng)進(jìn)行避障。小車執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中可以接受新的控制指令，包括停止系統(tǒng)、結(jié)束任務(wù)、獲取信息等。系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，控制人員可隨時(shí)按下“獲取坐標(biāo)”按鈕，執(zhí)行此操作后小車會(huì)立即暫停當(dāng)前任務(wù)，調(diào)整自身角度為初始化時(shí)自動(dòng)記錄的角度值，然后通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量自身坐標(biāo)并返回至上位機(jī)控制界面顯示，坐標(biāo)測(cè)量完成后小車會(huì)回到任務(wù)打斷時(shí)的角度恢復(fù)任務(wù)過(guò)程。

3 系統(tǒng)的測(cè)試及結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行定位測(cè)試，系統(tǒng)硬件的調(diào)試采用模擬環(huán)境調(diào)試，環(huán)境尺寸為2 m×2 m自制二維瓦楞紙板立于測(cè)試場(chǎng)地的左、上兩相鄰邊，高度超出車身高度5～10 cm。具體步驟為

（1）將小車放置場(chǎng)地中任意位置，但要保證車頭朝向場(chǎng)地正前方，車身與左側(cè)邊平行；

（2）啟動(dòng)光源，將障礙物放置于小車與光源路徑中央，障礙物尺寸為60 cm×50 cm×10 cm；

（3）小車上電，綠色指示燈點(diǎn)亮，蜂鳴器鳴響一聲，系統(tǒng)初始化成功。初始角度已經(jīng)被程序記錄，小車此時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)；

（4）連接無(wú)線收發(fā)模塊電纜到計(jì)算機(jī)空閑USB插口中。確認(rèn)收發(fā)模塊紅色電源指示燈點(diǎn)亮；

（5）啟動(dòng)上位機(jī)的控制界面，如果不知道收發(fā)器所在串口，則在菜單欄選擇“設(shè)置”、“自動(dòng)檢測(cè)端口”，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)端口（請(qǐng)確認(rèn)下位機(jī)已上電）；如果已知端口號(hào)可以直接在“當(dāng)前串口”下拉菜單中選擇，并單擊“串口已關(guān)閉”按鈕，程序?qū)⒆詣?dòng)嘗試打開串口；

（6）單擊上位機(jī)“功能”區(qū)中的“啟動(dòng)小車”按鈕，此時(shí)小車蜂鳴器會(huì)鳴叫一聲，代表小車成功啟動(dòng)，稍后上位機(jī)“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)”區(qū)顯示“下位機(jī)狀態(tài)”為“待命”；

（7）單擊上位機(jī)控制界面“執(zhí)行任務(wù)”按鈕，小車立即開始執(zhí)行任務(wù)，上位機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)顯示“正在執(zhí)行任務(wù)”，小車自動(dòng)完成尋光、跟光、避障等一系列控制功能；

（8）系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，控制人員可隨時(shí)按下“獲取坐標(biāo)”按鈕，執(zhí)行此操作后小車會(huì)立即暫停當(dāng)前任務(wù)，調(diào)整自身角度為初始化時(shí)自動(dòng)記錄的角度值，然后通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量自身坐標(biāo)并返回至上位機(jī)即控制界面顯示，坐標(biāo)測(cè)量完成后小車會(huì)回到任務(wù)打斷時(shí)的角度恢復(fù)任務(wù)過(guò)程；

（9）任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)為“待命”狀態(tài)。

小車接收到上位機(jī)的任務(wù)指令后可以立即啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以在前進(jìn)中自動(dòng)調(diào)整車身，使行進(jìn)方向更加準(zhǔn)確。系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，控制人員可隨時(shí)按下“獲取坐標(biāo)”按鈕，執(zhí)行此操作后小車會(huì)立即暫停當(dāng)前任務(wù)，調(diào)整自身角度為初始化時(shí)自動(dòng)記錄的角度值，然后通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量自身坐標(biāo)并返回至上位機(jī)即控制界面顯示，坐標(biāo)測(cè)量完成后小車會(huì)回到任務(wù)打斷時(shí)的角度恢復(fù)任務(wù)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以MSP430微控制器為主控，電子指南針模塊作為系統(tǒng)方向?qū)Ш焦δ苣K，用超聲波傳感器作為系統(tǒng)定位及運(yùn)動(dòng)避障傳感器，通過(guò)下位機(jī)軟件直接調(diào)用各個(gè)模塊讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)作出預(yù)定的功能，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)控制界面上，完成接收指令、尋找目標(biāo)、獲取坐標(biāo)、前進(jìn)避障、立即拍照等操作，并預(yù)留了部分按鍵，可以隨時(shí)進(jìn)行功能擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)對(duì)定位系統(tǒng)的工作測(cè)試，該系統(tǒng)完全符合系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精確性的要求。

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