姜玉亭，楊建波，陳康，李佳，康佳勝

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林，541004）

1 機(jī)器人遙控系統(tǒng)的總體設(shè)計

■1.1 遙控系統(tǒng)總體需求與總體設(shè)計方案

考慮到作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和通信可靠性要求，可采用有線和無線相結(jié)合的通信方式，根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行合理選擇。為保證裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)特性和模塊擴(kuò)展性，采用基于無線射頻技術(shù)的無線遙控系統(tǒng)、基于485總線的有線遙控系統(tǒng)和基于CAN總線的控制器間通信系統(tǒng)。無線遙控系統(tǒng)由用戶手持操作終端和車載終端兩部分組成，支持兩終端間的雙向通信。用戶手持操作終端，集成模擬手柄、鈕子開關(guān)、急停開關(guān)、旋鈕等操控部件，接受用戶操作指令，通過數(shù)據(jù)采集模塊將操控部件的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，按照固定的編碼協(xié)議打包封裝，通過無線通信模塊傳送出去，并通過液晶模組顯示遙控狀態(tài)與車載終端回傳的信息。車載終端負(fù)責(zé)接收、解碼并執(zhí)行用戶的控制指令，通過CAN 總線將控制指令傳輸給車載主控制器，由主控制器驅(qū)動現(xiàn)場電磁泵、比例閥、繼電器等設(shè)備動作，并接受現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息，反饋給手持操作終端。

■1.2 對無線通信的要求及無線通信模塊選型

無線遙控系統(tǒng)發(fā)出的指令要準(zhǔn)確地被執(zhí)行，否則將造成嚴(yán)重的安全隱患和難以挽回的損失；裝卸機(jī)器人對無線遙控的實(shí)時性要求較高，過長的延時會降低設(shè)備工作效率或造成誤動作；裝卸機(jī)器人常工作在室外，其無線信號傳輸易受各種干擾信號的影響；履帶機(jī)器人裝卸作業(yè)屬于對安全性要求較高的情況，需保障其作業(yè)控制的可靠性；因此，對于履帶機(jī)器人的無線遙控系統(tǒng)的要求其傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸準(zhǔn)確度高、抗干擾性強(qiáng)、工作安全可靠、低功耗等[1]。

通過對比藍(lán)牙、ZigBee 以及無線射頻等無線通信技術(shù)，本系統(tǒng)采用無線射頻技術(shù)，選用射頻模塊并通過設(shè)計通信協(xié)議來完成無線數(shù)據(jù)通信的功能。依據(jù)工信部《無線電頻率劃分規(guī)定》和我國無線電其他相關(guān)法律法規(guī)，工業(yè)遙控器的無線通信頻段多為ISM 頻段，即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段,包括433MHz、869MHz、2.4GHz等[2]。其中433MHz具有穿透性強(qiáng)、通訊距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)相對成熟。因此，選擇433MHz 頻段的射頻模塊E62-433T20D。

E62-433T20D 是“點(diǎn)對點(diǎn)”傳輸?shù)娜p工無線數(shù)傳模塊（UART 接口），透明傳輸方式，工作在425～450.5MHz頻段（默認(rèn)433MHz），發(fā)射功率100mW，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。模塊具有跳頻擴(kuò)頻功能（FHSS），支持FEC 前向糾錯，抗干擾性好，通信穩(wěn)定性高，且具有時分全雙工特性（TDD）。

2 無線通信協(xié)議設(shè)計

■2.1 可靠通信的策略研究

（1）選擇通信可靠性高的無線數(shù)傳模塊

選用的E62-433T20D 模塊具有跳頻擴(kuò)頻功能（FHSS），模塊在數(shù)傳過程中收發(fā)雙方會根據(jù)跳頻算法自動在多至52個頻點(diǎn)中同步跳變，模塊的抗干擾性好。模塊支持FEC 前向糾錯，通信穩(wěn)定性高。

（2）設(shè)置遙控器配對地址碼

針對一個工業(yè)現(xiàn)場可能存在多臺遙控設(shè)備同時使用的情況，且這些設(shè)備處于同一頻段時，勢必造成相互間通信干擾的情況。本遙控系統(tǒng)在每臺遙控設(shè)備上都嵌入了唯一標(biāo)識碼，稱為地址碼。配對地址碼信息也嵌入到遙控器終端硬件中。在在通信時發(fā)送端將地址碼同數(shù)據(jù)一同打包傳輸，當(dāng)接收端收到數(shù)據(jù)包，先判斷是否為正確的發(fā)送端地址，若是，則接收；若不是，則丟棄。

（3）設(shè)計通信鏈路狀態(tài)識別功能

在控制距離超過限值、信道受到電磁干擾、發(fā)射器電源電壓過低等造成遙控指令無法可靠傳送傳時，系統(tǒng)可識別此狀態(tài)并自動切斷機(jī)器人電源。通信鏈路狀態(tài)識別功能采取的是心跳包技術(shù)，即發(fā)射器需定時向接收器發(fā)射一個固定信號（心跳信號），當(dāng)接收器接收到心跳信號之后，立即向發(fā)射器發(fā)射回應(yīng)信號，反饋通信鏈路狀態(tài)，以此來檢測無線通信鏈路是否正常。

（4）優(yōu)化程序控制邏輯

遙控發(fā)送和接收雙方的程序邏輯是否合理也影響到雙方通信的可靠性。程序執(zhí)行時也可能出現(xiàn)跑飛現(xiàn)象，也需要在程序跑飛時保證通信收發(fā)的可靠性，防止誤動作。主要采用在遙控發(fā)送和接收雙方程序中設(shè)計看門狗程序，監(jiān)控程序運(yùn)行狀況，在監(jiān)控到程序跑飛時，做好輸出、通信等程序初始化，執(zhí)行保守控制策略，發(fā)出故障警報，確保安全直到通信恢復(fù)。

■2.2 通信協(xié)議設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)格式的定義

遙控器系統(tǒng)主要功能是通過收發(fā)設(shè)備傳輸控制指令和數(shù)據(jù)指令，從而控制設(shè)備的運(yùn)作和獲得設(shè)備工作狀況。因采用透傳模塊，則不需要考慮傳輸差錯控制問題，參考MODBUS 協(xié)議，可定義數(shù)據(jù)格式：地址碼（一個字節(jié)）+功能碼（一個字節(jié)）+數(shù)據(jù)域（N 個字節(jié)）。

裝卸機(jī)器人是一個較為復(fù)雜的智能設(shè)備，其工作時的待控動作和待傳輸信息類型較多，需要用功能碼進(jìn)行區(qū)分。

裝卸機(jī)器人的指令共有15 個。因此，指令信號中指令功能碼字段長度設(shè)為1 個字節(jié)（8 位）,是足夠使用的。

（2）地址碼與配對指令

遙控器手持端與遙控器機(jī)載端分別配置唯一的1 個字節(jié)地址碼，地址碼取值范圍為OxO1～OxFE，允許現(xiàn)場可以有254 臺遙控終端設(shè)備同時工作，只有地址碼匹配才接收數(shù)據(jù)。在遙控器手持端與遙控器機(jī)載端開機(jī)后，手持端要向外發(fā)送請求配對信號，機(jī)載端需等待配對請求信號，收到請求信號后應(yīng)回應(yīng)，從而通信鏈路建立成功。

（3）心跳指令

為了使遙控器雙方了解當(dāng)前無線傳輸信道狀態(tài)，保障通信系統(tǒng)的可靠性，需要遙控器手持端定時向機(jī)載端發(fā)送心跳信號。當(dāng)遙控器機(jī)載端收到心跳信號后，向遙控器手持端發(fā)送心跳回應(yīng)信號，從而雙方得到當(dāng)前通信鏈路狀態(tài)。

（4）控制指令

裝卸機(jī)器人控制指令有12 個，每個指令帶1～2 個字節(jié)的數(shù)據(jù)域。如啟停指令，其數(shù)據(jù)域?yàn)殚_關(guān)量信號，OxO0 代表停機(jī)，OxFF 代表啟動；行走指令其數(shù)據(jù)域?yàn)槟M量信號，兩個字節(jié)分別保存了雙軸搖桿X 軸和Y 軸的0～255 量級數(shù)據(jù)。

（5）工作狀態(tài)信號

遙控器機(jī)載端向手持端發(fā)送機(jī)器人工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)域占8 個字節(jié)。開關(guān)量數(shù)據(jù)主要有發(fā)動機(jī)啟停狀態(tài)、速度模式、大燈狀態(tài)、蜂鳴器狀態(tài)；模擬量數(shù)據(jù)主要有左右輪速度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油液位、油溫等。

3 無線通信程序設(shè)計

■3.1 主要軟件設(shè)計內(nèi)容

遙控終端的主控芯片均采用STM32F103 微處理器，遙控系統(tǒng)軟件基于FreeRTOS 操作系統(tǒng)。在STM32F103 芯片中移植FreeRTOS，可以參考FreeRTOS 官方提供的實(shí)例工程進(jìn)行移植[3]。在KeilμVision4 開發(fā)環(huán)境，對機(jī)器人遙控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計，主要包括遙控器手持端、機(jī)載端程序設(shè)計。

遙控器手持端軟件設(shè)計需要完成的工作如下：

（1）系統(tǒng)初始化。包括硬件配置與軟件配置，主要有外部中斷初始化、串口初始化、ADC 初始化工作等；

（2）創(chuàng)建多任務(wù)。主要創(chuàng)建通信任務(wù)、GUI 任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)等；

（3）數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計。通過GPIO 以中斷方式采集按鍵開關(guān)量信號和搖桿、推桿、旋鈕等模擬量信號，即實(shí)現(xiàn)操作指令的釆集；

（4）無線收發(fā)通信程序設(shè)計。根據(jù)前面設(shè)計的通信協(xié)議，定義數(shù)據(jù)包，依據(jù)可靠通信策略通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)，使整個遙控通信系統(tǒng)可靠運(yùn)行；

（5）串口通信程序設(shè)計。遙控器上433MHz 無線通信和USART 接口有線通信均通過USART 接口收發(fā)數(shù)據(jù)。其串口通信功能配置較為簡單，與基本串口通信配置一致。

遙控器機(jī)載端軟件設(shè)計需要完成的工作大致類同手持端，只是無數(shù)據(jù)采集部分，但增加了CAN 通信程序設(shè)計。

■3.2 遙控器程序流程

（1）遙控器主函數(shù)

遙控器雙端主要完成系統(tǒng)初始化和啟動各處理任務(wù)，手持端和機(jī)載端主函數(shù)軟件流程如圖1 所示。

圖1 遙控器主函數(shù)軟件流程圖

（2）遙控器通訊過程程序狀態(tài)機(jī)

遙控器通訊過程中會有一個表征通信狀態(tài)的標(biāo)志量。手持端啟動后，進(jìn)入“搜索目標(biāo)”狀態(tài)。系統(tǒng)向信道發(fā)出“搜索命令”，并等待應(yīng)答信號。如果接收到應(yīng)答，進(jìn)入“建立連接”狀態(tài)。如果在一定的時間內(nèi)接不到接收到目標(biāo)端的可連接應(yīng)答，終止此次遙控任務(wù)。此后，系統(tǒng)進(jìn)入“遙控通訊”狀態(tài)?？臻e時，系統(tǒng)將自動定時向目標(biāo)端發(fā)射“心跳”指令，如果“心跳”指令多次無應(yīng)答，則退回到“搜索目標(biāo)”狀態(tài)。如果用戶結(jié)束遙控任務(wù)，系統(tǒng)處“斷開連接”狀態(tài)，并向目標(biāo)端發(fā)出一個“斷開連接”的指令，等待應(yīng)答超時后不必重發(fā)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

主要測試無線通信距離，無線通信誤碼率和無線遙控工作的可靠性。測試過程：

（1）在場地空曠，無遮擋物，電磁干擾小的環(huán)境下測試，測試距離點(diǎn)為：20m、50m、80m、100m、120m、150m、180m、200m、220m、250m、280m、300m。距離150m 內(nèi)時，模塊工作正常，基本無誤碼。距離150m時，每10ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包大小為10 字節(jié)，連續(xù)發(fā)送10min，共發(fā)送數(shù)據(jù)60000 條，總數(shù)據(jù)大小為600000字節(jié)，接收誤碼為17，誤碼率為0.03%，模塊無發(fā)熱。距離150～200m 時，模塊誤碼增加，200m 時，誤碼率約為0.5%，模塊無明顯發(fā)熱。距離200～250m 時，接收誤碼增加，250m 時，誤碼率約為3%，模塊輕微發(fā)熱。距離250～300m 時，接收誤碼急劇增加，300m 時基本無法接收到數(shù)據(jù)，模塊明顯發(fā)熱，發(fā)送卡頓明顯。

（2）在場地空曠，無遮擋物，有煙塵干擾的環(huán)境下測試。距離200m 內(nèi)，接收誤碼率低于1%，模塊無發(fā)熱。

（3）在有樹木和矮墻遮擋物的環(huán)境下測試。距離200m 內(nèi)，接收誤碼率低于1%，模塊無發(fā)熱。

（4）在有高大磚墻或有鐵門遮擋物的環(huán)境下測試。距離150m 內(nèi)，接收誤碼率低于1%，模塊無發(fā)熱。距離200m 時，接收誤碼率接近5%，模塊輕微發(fā)熱。

（5）在場地空曠，無遮擋物，有其他頻段干擾信號的環(huán)境下測試。距離200m 時，誤碼率低于1%，模塊無明顯發(fā)熱，在干擾信號環(huán)境中依然工作穩(wěn)定。

綜述測試結(jié)果，空曠情況下該無線通信系統(tǒng)實(shí)際最遠(yuǎn)通信距離為250m，考慮到實(shí)際工作環(huán)境可能存在遮擋或其他干擾信號的情況，推薦可靠通信距離為200m。

5 結(jié)論

文中設(shè)計了基于STM32 處理器和433MHz 擴(kuò)頻通信收發(fā)模塊的無線遙控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)履帶裝卸機(jī)器人的無線遙控、實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測和精準(zhǔn)控制。針對無線通信可靠性問題，從無線數(shù)傳模塊選擇、地址碼設(shè)置、通信鏈路狀態(tài)監(jiān)測、通信程序邏輯優(yōu)化等方面著手以提高遙控系統(tǒng)的通信可靠性。經(jīng)實(shí)測系統(tǒng)可在200m 無線通信距離下實(shí)現(xiàn)對履帶裝卸機(jī)器人各個動作的有效控制，對于提高履帶裝卸機(jī)器人控制可靠性具有參考價值。