臧申俊

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)逐步在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，比如在未知或危險(xiǎn)環(huán)境下，多機(jī)器人協(xié)同完成任務(wù)是最好的選擇。因此，基于移動(dòng)機(jī)器人的研究逐漸成為當(dāng)前的一大熱點(diǎn)。結(jié)合群體智能這個(gè)研究方向，設(shè)計(jì)該自主式機(jī)器人，主要目的是設(shè)計(jì)一群個(gè)體功能簡(jiǎn)單的機(jī)器人，為群體智能方向的研究提供硬件平臺(tái)。本文描述的機(jī)器人采用的是luminary 的LM3S1968處理器，機(jī)器人之間通過(guò)Xbee通信模塊進(jìn)行通信，利用紅外傳感器感來(lái)進(jìn)行蔽障，達(dá)到群體協(xié)作共同完成相應(yīng)的任務(wù)。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

從功能模塊劃分，系統(tǒng)由主控板，功能板和電機(jī)電源組成。

1.1 主控板

主控板主要由CPU及其外圍電路，以及一些調(diào)試用LED燈和按鍵組成。其電源輸入是由功能板上提供的5V電源，穩(wěn)壓芯片用的是LM1117-3.3V。經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換后，電源DP3V3穩(wěn)定在3.3V，為整個(gè)主控板供電[1]。如圖1所示。

1.1.1 CPU

主控板所選用的CPU是luminary 的LM3S1968。該CPU使用到的功能模塊有：GPIO端口,JTAG接口,定時(shí)器模塊,通用異步收發(fā)器等。其他模塊考慮到擴(kuò)展應(yīng)用的需要，在主控板上引出了接口，將來(lái)的使用者可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

圖1 主控板

1.1.2 時(shí)鐘晶振

圖2 CPU外部時(shí)鐘

CPU內(nèi)部本身有一個(gè)12MHz的內(nèi)部振蕩器，但頻差較大。因此機(jī)器人用的是一個(gè)外部的8MHz晶振作時(shí)鐘源，電路如圖2。而圖中另一個(gè)4.194M的晶振是供休眠模式使用的，在休眠模式中，CPU通過(guò)切換成較低頻率的時(shí)鐘來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

1.1.3 復(fù)位電路

CPU的Reset是低電平有效，引腳外接到Reset按鍵，當(dāng)按鍵按下時(shí)引腳輸入低電平，使CPU復(fù)位。初始狀態(tài)下復(fù)位后的CPU內(nèi)程序被清空。

1.1.4 LED與按鍵

主控板上的LED燈和按鍵主要是用來(lái)作程序調(diào)試用的，如圖3和圖4所示。LED在相對(duì)應(yīng)的GPIO輸出為低電平時(shí)點(diǎn)亮，燈D1是電源指示燈，D2是休眠模式指示燈，D3～D6是調(diào)試用燈；而按鍵電路中，按下按鍵則輸出一個(gè)低電平，其中Reset是復(fù)位鍵，Wake是休眠模塊用到的，KEY1和KEY2是調(diào)試用按鍵。

圖3 LED電路

圖4 按鍵電路

1.1.5 接口

在主控板上一共有一個(gè)電源接口、三個(gè)雙排插口和四組排針口。如圖1所示。

1.2 功能板

功能板是主控板的控制信號(hào)的執(zhí)行者，主要包括電源模塊、紅外測(cè)距、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、串口等功能塊[2]。如圖5。

圖5 功能板

1.2.1 電源

在功能板上存在著兩種供電電壓，分別為從電源的穩(wěn)壓輸入5V和3.3V，其中3.3V為紅外接收管和串行紅外接口供電，5V為板上的其他設(shè)備供電。

1.2.2 紅外測(cè)距

圖6 紅外測(cè)距模塊電路

如圖6所示，在機(jī)器人上一共放置了五對(duì)測(cè)距紅外，上圖僅代表一對(duì)測(cè)距紅外和4066模擬開(kāi)關(guān)芯片的聯(lián)接。當(dāng)前方無(wú)障礙物時(shí)接收管斷開(kāi)，輸出一個(gè)高電平，當(dāng)前方有障礙物時(shí)發(fā)射管發(fā)射的紅外光反射回來(lái)，接收管導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平。為了調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度，機(jī)器人在每個(gè)發(fā)射管上都連有一個(gè)電位器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值大小來(lái)改變發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。

1.2.3 電機(jī)

采用四相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變控制引腳狀態(tài)轉(zhuǎn)變的速度來(lái)控制。由于驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小，電機(jī)的四個(gè)引腳無(wú)法用GPIO口直接驅(qū)動(dòng)，選用BA6845FS芯片驅(qū)動(dòng)[3] ，如圖7所示。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.2.4 串口

圖8 UART與MAX232電路圖

串口部分留出了兩對(duì)UART口和一個(gè)串行紅外通信模塊。CPU上的UART引腳需要經(jīng)過(guò)232芯片，從TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS232信號(hào)。串行紅外的通信不需要經(jīng)過(guò)232芯片的轉(zhuǎn)換，但需要一個(gè)集成的串行紅外模塊，電子鼠使用的是類(lèi)似的HSDL-3600串行紅外通信芯片，芯片連接與3602相同[4]。在使用時(shí)，將兩個(gè)機(jī)器人的紅外通信口相對(duì)，即可進(jìn)行串口的通信。

1.2.5 接口

在功能板上有兩個(gè)插口是與主控板相連接的，JP1對(duì)應(yīng)的是主控板上的插口CONNECTOR， JP2對(duì)應(yīng)的是插口UART1&IRC，以及功能板上還有一類(lèi)接口是連接外部器件。如圖5所示。

2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

在這個(gè)部分中，將對(duì)這機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行說(shuō)明，包括接口、模塊定義和實(shí)現(xiàn)等。

2.1 結(jié)構(gòu)體，常量和端口定義

我們?cè)隍?qū)動(dòng)文件中，定義了一些常量和結(jié)構(gòu)體控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，為上層功能提供數(shù)據(jù)接口，還定義了GPIO口的控制信號(hào)映射關(guān)系，以避免每次需要查找電路圖GPIO口連線(xiàn)。

2.2 初始化

在開(kāi)始使用驅(qū)動(dòng)程序之前，對(duì)CPU的時(shí)鐘、GPIO、LED燈、紅外測(cè)距、電機(jī)、定時(shí)器等各個(gè)模塊進(jìn)行了初始化。用來(lái)記錄電機(jī)當(dāng)前行止?fàn)顟B(tài)、轉(zhuǎn)向、總步數(shù)，電子鼠X、Y坐標(biāo)、朝向、行止?fàn)顟B(tài)、速度以及五個(gè)測(cè)距紅外的讀數(shù)值。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

通過(guò)電機(jī)相位控制對(duì)電機(jī)的相位作記錄，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)向把相位向前或者向后推進(jìn)一格。定時(shí)器中斷服務(wù)程序使用了CPU的兩個(gè)32位定時(shí)器Timer0和Timer1，分別對(duì)左輪和右輪進(jìn)行定時(shí)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置是通過(guò)改變相應(yīng)定時(shí)器的置數(shù)值，改變定時(shí)器觸發(fā)中斷的周期，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.4 運(yùn)動(dòng)的控制

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的透明度，在電機(jī)控制之上加一層對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有左轉(zhuǎn)90度，左轉(zhuǎn)180度，右轉(zhuǎn)90度，右轉(zhuǎn)180度，熄火，前進(jìn)等。

定時(shí)掃描紅外測(cè)距模塊。在系統(tǒng)定時(shí)器SysTick的中斷服務(wù)程序中，驅(qū)動(dòng)打開(kāi)紅外測(cè)距模塊，對(duì)5個(gè)紅外測(cè)距進(jìn)行逐一掃描讀數(shù)，將讀到的結(jié)果保存在結(jié)構(gòu)體變量Telemeter中。

2.5 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用：Pacer狀態(tài)機(jī)

驅(qū)動(dòng)的一個(gè)應(yīng)用例子，通過(guò)狀態(tài)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從初始點(diǎn)跑到終點(diǎn)，其間避開(kāi)所遇到的障礙的功能。機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前位置和目標(biāo)點(diǎn)位置貪婪地做出決策。如圖7所示：

圖7 狀態(tài)轉(zhuǎn)化流程模型圖

3 結(jié)論

本文描述了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用其基本功能實(shí)現(xiàn)了拼字母這一應(yīng)用場(chǎng)景，并驗(yàn)證了其性能。目前該設(shè)計(jì)中還有許多需要改進(jìn)的地方，如布線(xiàn)、需要對(duì)功能板進(jìn)行升級(jí)，將通信模塊集成到功能板上，給機(jī)器人控制加上反饋模塊，該模塊可以是指南針模塊或車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)模塊，等等。

[1] 劉霞等.電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M] .電子工業(yè)出版社,2009.

[2] (美)卡特索利斯著,徐君明,等譯.嵌入式硬件設(shè)計(jì)[M] ..中國(guó)電力版社,2004.

[3] 王水平,周培志,張耀進(jìn)等.PWM 控制與驅(qū)動(dòng)器使用指南及應(yīng)用電路[M] ..西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

[4] 海濤,龍軍主編.計(jì)算機(jī)通信技術(shù)[M] ..重慶大學(xué)出版社,2005.