吳子岳,宋彥良,吳志峰,劉善民

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0 引 言

隨著對未知領(lǐng)域和復(fù)雜環(huán)境的不斷探索,人類更加迫切地需要使用微型探測機(jī)器人進(jìn)行地形地貌勘測以及環(huán)境參數(shù)的自主檢測.其中,四足爬行機(jī)器人因其優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能和良好的穩(wěn)定性,加之配備攝像頭模塊和各種傳感器模塊,被廣泛應(yīng)用于環(huán)境探測領(lǐng)域中,成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1].惠州學(xué)院黃宏越等人曾通過使用超聲波避障和陀螺儀轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃[2].韓潔瓊等人設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52的智能移動(dòng)機(jī)器人巡航系統(tǒng),該系統(tǒng)安裝有紅外傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)智能循跡、自主導(dǎo)航[3].但是,由于機(jī)器人控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)存在誤差和不穩(wěn)定性,使得機(jī)器人容易偏離探測路徑,導(dǎo)致對環(huán)境和地形的探測不準(zhǔn)確、不全面.因此需要對該機(jī)器人進(jìn)行目標(biāo)定位服務(wù),以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取機(jī)器人的位置信息,并對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.

其中,對探測機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航成為了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的部分[4].為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測四足爬行機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置并發(fā)送控制指令,系統(tǒng)采用了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS).GNSS是個(gè)多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜組合系統(tǒng),包括全球的、區(qū)域的、增強(qiáng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),涵蓋了GPS、GLONASS、GALILEO、BDS等系統(tǒng).由于該系統(tǒng)可在近地空間的任何地點(diǎn)或地球表面為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間信息的獨(dú)特功能,并且可以實(shí)現(xiàn)高精度定位、導(dǎo)航服務(wù),一直被視作環(huán)境探測機(jī)器人定位系統(tǒng)中不可或缺的一部分.使用該系統(tǒng)不僅可以采集到機(jī)器人的經(jīng)緯度,還可以檢測到高度信息,更加安全可靠[5-6].同時(shí)增加實(shí)時(shí)顯示、路線調(diào)整、遠(yuǎn)程遙控等功能.

本文設(shè)計(jì)了一種基于GNSS的擁有自主巡航功能的四足爬行機(jī)器人,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)器人精準(zhǔn)定位,并將位置信息和運(yùn)動(dòng)軌跡準(zhǔn)確傳輸?shù)缴衔粰C(jī),通過遠(yuǎn)程遙控對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整和控制.同時(shí),機(jī)器人獲取的環(huán)境和地理數(shù)據(jù)參數(shù)通過GPRS無線傳輸技術(shù)傳送到上位機(jī)顯示界面,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人精準(zhǔn)探測和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示,減少了由于運(yùn)動(dòng)軌跡偏差而帶來的探測誤差,提高探測準(zhǔn)確性.

1 四足機(jī)器人系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的擁有自主巡航功能的四足爬行機(jī)器人采用智能化體系架構(gòu)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有體積小、靈活性好和穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn).該機(jī)器人包括主體、執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、控制系統(tǒng).執(zhí)行系統(tǒng)包含四條機(jī)械腿,可以很好地解決傳統(tǒng)履帶式探測機(jī)器人的越障困難和體積、質(zhì)量較大的問題.機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一款基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),并結(jié)合無線通訊技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、對環(huán)境、地理參數(shù)及機(jī)器人實(shí)時(shí)位置信息采集和處理的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng).該監(jiān)測系統(tǒng)由四個(gè)部分組成,包括環(huán)境參數(shù)采集端、GPS/北斗定位模塊、無線通訊模塊和中央處理器,系統(tǒng)框圖如圖2所示.

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下:

1)衛(wèi)星定位,自主巡航:通過GPS/北斗定位模塊,對機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置、方向、速度等信息進(jìn)行跟蹤,并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,上位機(jī)可發(fā)送已設(shè)定探測區(qū)域指令讓機(jī)器人按照指定區(qū)域路線自主前行;

2)遠(yuǎn)程通信:利用GPRS無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的信息交流;

3)自動(dòng)調(diào)節(jié):通過GPS/北斗定位模塊向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的機(jī)器人實(shí)時(shí)位置與上位機(jī)向機(jī)器人發(fā)送的指定區(qū)域路線進(jìn)行比較,完成運(yùn)動(dòng)路線的自動(dòng)調(diào)整,同時(shí)也可通過手動(dòng)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令調(diào)整.

監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖3所示.

2.1 衛(wèi)星定位端硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的定位模塊用來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人在環(huán)境探測中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)、速度和方向等參數(shù)的采集,通過定位模塊請求連接衛(wèi)星信號,并將接收到的機(jī)器人坐標(biāo)信息傳送到中央處理器,由中央處理對當(dāng)前的位置信息,包括經(jīng)緯度進(jìn)行解析.同時(shí),中央處理器接收模塊接收來自遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的機(jī)器人規(guī)劃區(qū)域路線、速度、時(shí)間等指令,并將當(dāng)前實(shí)際經(jīng)緯度與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)來的已設(shè)定位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如果偏離路線,機(jī)器人自動(dòng)修正或者通過手動(dòng)發(fā)送指令調(diào)整路線,向設(shè)定路線區(qū)域靠攏并進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)探測.

由于需要實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人及系統(tǒng)的微型化和便捷化設(shè)計(jì),所以選用了由SkyTraq公司生產(chǎn)的型號為ATK-S1216F8-BD的GPS/北斗定位模塊,該模塊使用S1216F8-BD模組,特性如下:

1)體積小巧,性能優(yōu)異,測量輸出頻率最大可達(dá)20 Hz,模塊通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置并保存在內(nèi)部flash中,方便使用;

2) 模塊接口為TTL電平,兼容3.3V/5V電壓,TXD/RXD阻抗為120 Ω,更加便于連接多種單片機(jī)系統(tǒng);

3) 包含167個(gè)通道,支持QZSS、WAAS、MSAS、EGNOS、GAGAN.冷啟動(dòng)靈敏度為-148 dBm,捕獲追蹤靈敏度為-165 dBm;

4)該模塊支持NMEA-0183 V3.01/SkyTraq binary協(xié)議.工作溫度范圍為-40～ 85℃,可靠度高、適應(yīng)性強(qiáng);

5)該模塊擁有可充電備用電池,可實(shí)現(xiàn)斷電后保存數(shù)據(jù)的功能(斷開主電源后,備用電池可持續(xù)半小時(shí)左右的定位數(shù)據(jù)保存);

6) 通過ATK-S1216F8-BD GPS/北斗定位模塊,任何微控制器(3.3 V/5 V電源)都可以非常方便地實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位,也可以連接電腦,利用軟件實(shí)現(xiàn)定位功能.定位模塊ATK-S1216F8-BD的工作電路如圖4所示.

2.2 數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域的環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)參數(shù)的檢測和采集,由多種傳感A/D轉(zhuǎn)換器和外圍電路組成.該采集端將采集到的環(huán)境溫、濕度和風(fēng)速等信息傳送到中央處理器,由處理器進(jìn)行接收和分析,再通過無線通訊模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心,監(jiān)控客戶端對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和顯示,完成對環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測.

2.3 機(jī)器人控制端硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)器人采用嵌入式STM32F429IGT6單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心,主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、計(jì)算處理等功能.該芯片采用Arm Cortex-M4內(nèi)核,具有高達(dá)256 KB的SRAM,支持SDRAM,包含140個(gè)GPIO口,其運(yùn)行頻率最高可達(dá)180 MHz.擁有更快的A/D轉(zhuǎn)換速度和更低的ADC/DAC工作電壓[7].選擇STM32F429IGT6單片機(jī),一方面負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集模塊收集的環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行解讀、分析并發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器,由服務(wù)器接收解析后存入數(shù)據(jù)庫,監(jiān)控客戶端對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀取和顯示;另一方面接收ATK-S1216F8-BD定位模塊采集的機(jī)器人實(shí)時(shí)位置,同時(shí)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的指令對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制.使用該芯片可以加快數(shù)據(jù)的接收、處理和發(fā)送,加快工作效率.

2.4 無線通訊硬件設(shè)計(jì)

無線通訊作為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制端的數(shù)據(jù)交換、指令收發(fā)的橋梁,是該監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一.本文所設(shè)計(jì)的無線通信采用4G網(wǎng)絡(luò)和北斗短報(bào)文通訊模塊.北斗短報(bào)文通信是北斗一代的特有功能[8],在沒有移動(dòng)通訊信號的情況下,利用北斗短報(bào)文通訊功能便可以實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星、地面服務(wù)中心、北斗定位終端的雙向通信.4G網(wǎng)絡(luò)是第四代移動(dòng)通信技術(shù),其傳輸速度值范圍為20 Mbps-100 Mbps,覆蓋面積大,十分適合應(yīng)用在大面積的環(huán)境探測中.

本文選用由SKyTop公司生產(chǎn)的LH-MK04A作為北斗短報(bào)文通信模塊,該模塊集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等,模塊內(nèi)置RNSS/GPS模塊.該模塊具有集成度高、功耗低、兼容接收RDSS/RNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號等優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度定位、測速等,非常適用于區(qū)域探測.

該模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能.首先,短報(bào)文信息發(fā)送方把含有信息接收方通訊內(nèi)容和ID的通訊信號加密后再通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站,然后,經(jīng)過先解密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站電文中,由衛(wèi)星發(fā)送給用戶終端設(shè)備.最后,由接收方接收出站信號,解調(diào)解密出站電文[9],完成一次遠(yuǎn)程通訊.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),STM32F429IGT6單片機(jī)系統(tǒng)程序全部使用C語言在Keil uVision5開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編程、調(diào)試.結(jié)合Thumb-2指令集,無需模式轉(zhuǎn)換,并自帶STM32CubeF4固件包,可以找到任一外設(shè)的對應(yīng)例程從而進(jìn)行快速移植.

單片機(jī)通電后,先對串口UART、定時(shí)器、GPIO口和HAL庫等進(jìn)行初始化,并對環(huán)境數(shù)據(jù)采集端的傳感器模塊、A/D和北斗定位模塊進(jìn)行配置和初始化,采用單總線操作時(shí)序來讀取溫度、濕度等傳感器的數(shù)值.進(jìn)入主程序之后,通過循環(huán)調(diào)用函數(shù)來獲取實(shí)時(shí)位置、環(huán)境參數(shù)值,并對其進(jìn)行分析解讀后通過無線傳輸模塊傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心移動(dòng)客戶端顯示界面.

3.2 監(jiān)控中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖5為上位機(jī)軟件功能開發(fā)流程圖.上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、解讀和顯示,并根據(jù)實(shí)際情況發(fā)送相應(yīng)的操作指令.使用Microsoft基礎(chǔ)類庫(MFC)和Visual C++,結(jié)合C語言進(jìn)行上位機(jī)軟件界面開發(fā).單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)接收后,上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和顯示.在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)過程中使用卡爾曼濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理,以提高定位精度[10].本著人機(jī)友好、操作簡單的設(shè)計(jì)原則,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件功能如下:

1)實(shí)時(shí)監(jiān)測:在上位機(jī)軟件界面上實(shí)時(shí)顯示由GPS/北斗定位模塊采集到的機(jī)器人當(dāng)前位置信息、運(yùn)動(dòng)方向和速度;

2)報(bào)警提示:當(dāng)機(jī)器人的實(shí)際位置和規(guī)劃的路徑出現(xiàn)偏差時(shí),上位機(jī)會(huì)報(bào)警提示;

3)遠(yuǎn)程遙控:根據(jù)不同情況,可以通過上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令,實(shí)現(xiàn)對四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制.

4 系統(tǒng)運(yùn)行和測試

對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.選取學(xué)校一處天臺作為測試場地,機(jī)器人啟動(dòng)后,通過上位機(jī)軟件向其發(fā)送規(guī)劃路徑指令,機(jī)器人沿著指定的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng).如圖6所示,衛(wèi)星對機(jī)器人定位的當(dāng)前位置信息:(121.534078E,30.5333.88N),速度2.30 km/h.到達(dá)指定區(qū)域后開始環(huán)境參數(shù)的采集并實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)顯示界面,如圖7所示,溫度34℃,濕度68.2%,風(fēng)速1.7 m/s.通過GPS/北斗定位模塊傳達(dá)的定位信息與指定路徑發(fā)生偏差時(shí),上位機(jī)自動(dòng)報(bào)警且實(shí)時(shí)調(diào)整位置.

在中途不同的監(jiān)測點(diǎn)處記錄上位機(jī)顯示的機(jī)器人實(shí)時(shí)位置和已設(shè)定位置,如表1所示,機(jī)器人探測路徑與規(guī)劃路徑相差較小.經(jīng)測試,機(jī)器人系統(tǒng)以及監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好,可以滿足自主巡航、自主探測和自動(dòng)修正路線的功能.

表1 不同監(jiān)測點(diǎn)機(jī)器人實(shí)時(shí)位置和規(guī)劃位置

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、擁有自主巡航和自動(dòng)修正路線功能的環(huán)境探測機(jī)器人及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng).通過GPS/北斗定位模塊,很好地完成了對機(jī)器人實(shí)時(shí)位置的獲?。粩?shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的采集；北斗短報(bào)文通訊模塊完成了與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)通信.整套系統(tǒng)以STM32F429IGT6作為主控芯片,結(jié)合GPS/北斗模塊和通信模塊,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主巡航探測和報(bào)警提示并及時(shí)調(diào)整運(yùn)動(dòng)軌跡的功能.貼合探測人員實(shí)際使用情況,提高了探測精準(zhǔn)性.解決了人工探測困難、成本較高和傳統(tǒng)探測機(jī)器人容易偏離路線的問題.