湖南科技學(xué)院實驗實訓(xùn)中心 鐘麗菲

引言

當(dāng)今時代，人類對機(jī)器人的研究越來越深入，其研究成果也越來越豐碩，其研究力度和研究層次都在不斷加大、不斷深入。人們期待智能機(jī)器人之間能夠彼此交流，互相協(xié)作，完成一些繁瑣復(fù)雜的工作任務(wù)，例如在某些火災(zāi)場景中，為了保障救火員的人生安全，又要完成滅火的重任，就可以依靠機(jī)器人來完成滅火工作。但滅火需要統(tǒng)籌指揮，彼此溝通，滅火時機(jī)、滅火位置、滅火計劃都需要交流溝通，因此滅火機(jī)器人也必須彼此交流，互相協(xié)作，共同完成滅火的重任。

通信是不同機(jī)器人之間互相交流的基礎(chǔ)，通過通信，機(jī)器人才能了解其他機(jī)器人發(fā)送的指令，繼而完成相應(yīng)的操作，在通信方式中，無線通信是最便捷、最高效、最理想的通信方式。

本文以力風(fēng)暴智能機(jī)器人為實驗平臺，利用體積輕巧的單片機(jī)為通信工具，通過對接好單片機(jī)和機(jī)器人之間的接口，來實現(xiàn)機(jī)器人之間的無線通信。

1 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人平臺

本文的實驗內(nèi)以能力風(fēng)暴智能機(jī)器人為研究對象，能力風(fēng)暴直徑為30cm，高13cm，能力風(fēng)暴的頂端設(shè)置為半圓形，底端安裝一個具備圓形碰撞環(huán)的、能夠移動的機(jī)器人，機(jī)器人的微處理器選用單片機(jī)M68HC11,在微處理器中安置32 k 的靜態(tài)不揮發(fā)RAM,輔助以驅(qū)動、通訊、復(fù)位等外圍電路。

在進(jìn)行試驗之前，要保障能力風(fēng)暴智能機(jī)器人平臺具備以下功能；

（1）平臺底部的機(jī)器人能夠自主移動。它應(yīng)該是一個適應(yīng)能力強(qiáng)，具有具體規(guī)劃，靈活性強(qiáng)，能夠在繁瑣復(fù)雜場景內(nèi)工作的智能機(jī)器人。

（2）傳感器的數(shù)量要盡可能地多，且傳感器的質(zhì)量應(yīng)該有所保障，其感知能力要強(qiáng)。傳感器的構(gòu)造應(yīng)該具備一個紅外接收模塊，此外還應(yīng)該有兩支紅外發(fā)射管以及4 個碰撞傳感器。此外傳感器還必須配備旋轉(zhuǎn)角度編碼器以及麥克風(fēng)。紅外傳感器的傳感能力為，可以感應(yīng)正前方120°以內(nèi)，距離紅外傳感器10～50cm 內(nèi)的物體；紅外光傳感器應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地判斷強(qiáng)弱光；碰撞傳感器應(yīng)該安裝在碰撞環(huán)上，感受東西南北四個方向上以及東西南北四個方向45°夾角線上的碰撞；麥克風(fēng)的功能是感知周圍聲音的強(qiáng)弱，其并無方向之分；旋轉(zhuǎn)編碼器可以精準(zhǔn)地計量機(jī)器人轉(zhuǎn)輪的角度。

（3）能力風(fēng)暴機(jī)器人之間都使用M68HC11 單片機(jī)，且必須使用交互式C 語言對單片機(jī)進(jìn)行編程。交互式C 語言結(jié)構(gòu)分為編譯環(huán)境以及機(jī)器人操作系統(tǒng)，交互式C 語言的優(yōu)點是能夠同時進(jìn)行多個編程，允許多個程序同時運行。機(jī)器人與計算機(jī)的連接方式是串口連接，在計算機(jī)內(nèi)部編好的程序可以經(jīng)由串口線輸送到機(jī)器人內(nèi)部，從而發(fā)出相應(yīng)的指令，操作機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)命令或者讓機(jī)器人主運行。

（4）機(jī)器人設(shè)計了硬件擴(kuò)展總線ASBUS（abili2ty storm BUS）。設(shè)計硬件擴(kuò)展總線的好處是便于機(jī)器人拓展外圍電路，為智能機(jī)器人之間的交流協(xié)作提供必要的基礎(chǔ)。硬件擴(kuò)展總線有A，B 兩組，兩組加起來的信號線共計28 根。

在實際的實驗中，以下提及的信號線都是必須用到的、主要的信號線：VCC：5V 電源；GND：地；PC0～PC7：數(shù)據(jù)線：OS0～OS3：輸出選擇線0～3；IS0～I(xiàn)S3：輸入選擇線0～3；PA1～PA2：輸入捕捉口；PA3：輸出比較口。

2 機(jī)器人之間無線通信的硬件設(shè)計

2.1 無線通信模塊

顧及到機(jī)器人本來就具備的特性，以單片機(jī)為微處理器的無線通信是機(jī)器人之間最高效、最便捷、最理想的通信方式。在本實驗中的，單片機(jī)內(nèi)的無線收發(fā)模塊為PTR2000。PTR2000 既能夠收信號，也可以發(fā)信號，它具備收發(fā)一體的功能。具體來說，PTR2000 還可以高頻率地發(fā)射信號和接收信號，能夠放大信號，合成信號，切換頻率等，該無線收發(fā)模塊主要有以下特性：

（1）集發(fā)射和接收為一體，體積小，約40 cm×27 cm×5 cm；

（2）工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz，采用FSK 調(diào)制/解調(diào)，可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強(qiáng)；

（3）工作電壓2.70～5.25 V，功耗小，接收待機(jī)狀態(tài)電流僅為8μA；

（4）工作速率最高可達(dá)20 kbit/s，也可在較低速率，如4800，9 600 bit/s 下工作，無需設(shè)置模塊通信速率；

（5）使用時不需要許可認(rèn)證，在地形開闊的環(huán)境下，其使用距離能夠接近1 千米。PTR2000 一共7 個引腳，每個引腳具備的功能都不盡相同，具體如下；

VCC（1 腳）：正電源輸入端，接2.70～5.25V；

CS（2 腳）：頻道選擇端，CS=0 時，選擇工作頻道1，即，433.92 MHz；CS=1 時，選擇工作頻道2，即，434.33MHz；DO（3 腳）：數(shù)據(jù)輸出端；

DI（4 腳）：數(shù)據(jù)輸入端；

GND（5 腳）：電源地；

PWR（6 腳）：節(jié)能控制端，PWR=1 時，模塊處于正常工作狀態(tài)；PWR=0 時，模塊處于待機(jī)微功耗狀態(tài)；

TXEN（7 腳）：發(fā)射/接收控制端，TXEN=1 時，模塊被設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0 時，模塊被設(shè)置為接收狀態(tài)[2]。

2.2 總體設(shè)計框圖

考慮到機(jī)器人本身的特點以及無線收發(fā)模塊的特點，設(shè)計了能力風(fēng)暴智能機(jī)器人之間的無線通信框架圖。

圖1 機(jī)器人無線通信總體框圖

2.3 無線收發(fā)模塊與機(jī)器人之間的接口電路設(shè)計

在實驗中，所有的機(jī)器人都必須具備發(fā)送無線數(shù)據(jù)和接收無線數(shù)據(jù)的功能，因此每個機(jī)器人身上都必須安裝無線收發(fā)模塊。又因為能力風(fēng)暴機(jī)器人上的串口另有其他的作用，無法安裝無線收發(fā)模塊，因此就有必要在機(jī)器人和無線收發(fā)模塊的中間區(qū)域安裝一個型號為2051 的單片機(jī)。此單片機(jī)的作用是，連接機(jī)器人和無線收發(fā)模塊，向機(jī)器人反饋接收或者發(fā)送的信號。在具體的連接過程中，無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)輸出端應(yīng)該和單片機(jī)的串行接收端對應(yīng)連接，而單片機(jī)的串行發(fā)送端應(yīng)該和無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)輸入端相連。單片機(jī)和和機(jī)器人的具體連接方法為，能力風(fēng)暴機(jī)器人的數(shù)據(jù)口（PC0～PC7）應(yīng)該和單片機(jī)的P1口對應(yīng)連接，此外，機(jī)器人擴(kuò)展總線上的輸入捕捉口應(yīng)該和單片機(jī)的P3.4 相接，而機(jī)器人擴(kuò)展總線上的輸出捕捉口應(yīng)該與單片機(jī)上的P3.2 相接。

圖2 接口電路原理框圖

3 機(jī)器人之間無線通信軟件實現(xiàn)分別

機(jī)器人之間的信號接收和信號發(fā)送需要通過軟件編程才能實現(xiàn)，無線收發(fā)模塊的雙向通信也需要通過編程才能實現(xiàn)[10]。其原理為單片機(jī)將串行讀取的數(shù)據(jù)放入單片機(jī)內(nèi)部的寄存器中，當(dāng)完成此環(huán)節(jié)時，接收數(shù)據(jù)的第1 位是起始位0，第2～9 位是數(shù)據(jù)位，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，會遵循先發(fā)送低位，后發(fā)送高位的規(guī)則，第10 位是停止位1，接下去的12 位都為1，即為發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔5.5ms(11×500μs=5 500μs)，最后一位是新一幀數(shù)據(jù)的起始位。

4 實驗結(jié)果分析

在兩個能力風(fēng)暴智能機(jī)器人的身上裝上單片機(jī)微處理器，裝上無線收發(fā)模塊，兩個機(jī)器人分別記作機(jī)器人1 和機(jī)器人2，機(jī)器人1 與機(jī)器人2 之間的間隔距離為120m，中間沒有高大的障礙物，地勢平坦。機(jī)器人1 負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，機(jī)器人2 負(fù)責(zé)接收機(jī)器人1 發(fā)送的數(shù)據(jù)。舉例來說，如果機(jī)器人1 發(fā)送信號40H，41H，42H，43H，這些信號分別代表前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器人2 接收到機(jī)器人發(fā)送的這些信號時，就應(yīng)該執(zhí)行相應(yīng)的指令，前進(jìn)或者轉(zhuǎn)動。機(jī)器人1 發(fā)送的數(shù)據(jù)以及機(jī)器人2 執(zhí)行的指令整理成了下表1。

表1 數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果

分析上表能夠知道，在120m 以內(nèi)的有效范圍內(nèi)，本文設(shè)計的無線通信方法能夠讓能力風(fēng)暴智能機(jī)器人高效交流，機(jī)器人之間的信號發(fā)射和信號接收都是快速且高效的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)所提出機(jī)器人與機(jī)器人之間的無線通信原理，設(shè)計了機(jī)器人之間無線通信的硬件模塊，編寫了無線通信的軟件實現(xiàn)。通過實驗測試表明，在有效的距離范圍內(nèi)，多個機(jī)器人之間能夠快速地發(fā)射和接收信號。該無線通信實驗，沒有通過計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，而是直接通過無線通信實現(xiàn)機(jī)器人之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，讓機(jī)器人之間具備了直接交流的功能。多機(jī)器人系統(tǒng)研究作為一個熱點研究方向，本文的實現(xiàn)方法具有重要的參考價值。