王樂(lè) 劉滿祿 杜敏 陶波

摘 要：文章針對(duì)微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人設(shè)計(jì)一種基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線控制系統(tǒng)和一種基于嵌入式PC/104plus總線結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)分析微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)原理，從控制命令無(wú)線發(fā)射和微型機(jī)器人控制兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。采取半自主控制方式，分析微型機(jī)器人監(jiān)控功能，從六大模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人；無(wú)線控制；監(jiān)控系統(tǒng)

引言

微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人已逐漸成為微型機(jī)器人領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。通過(guò)拋投、布撒等形式，微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人可以快速靠近目標(biāo)進(jìn)行作業(yè)，與便攜式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成子母系統(tǒng)，對(duì)于軍事以及公共安全領(lǐng)域中涉及的異常處置等工程問(wèn)題，可以靈活、高效地應(yīng)對(duì)，具有很好的應(yīng)用前景。

1 微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人的無(wú)線控制

1.1 無(wú)線控制系統(tǒng)原理

微型機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)包含控制命令無(wú)線發(fā)射和微型機(jī)器人控制兩個(gè)部分，其系統(tǒng)原理框圖如圖1。據(jù)此，微型拋投式應(yīng)急偵察機(jī)器人的控制命令無(wú)線發(fā)射部分主要是在PC工作站串口下，發(fā)送控制機(jī)器人的指令，比如進(jìn)行方向改變、加減速等。其控制部分則通過(guò)接收發(fā)送的控制指令對(duì)步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖邏輯和頻率進(jìn)行調(diào)整，從而完成該微型偵察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

圖1

1.2 無(wú)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文章選取MSP430F2234單片機(jī)進(jìn)行微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人的無(wú)線控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，無(wú)線控制命令發(fā)射部分主要通過(guò)PC機(jī)工作站的串口以及該單片機(jī)的通用串行通信模塊來(lái)發(fā)出控制指令。其中單片機(jī)需要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路才能和PC機(jī)工作站串口連接。硬件電路通過(guò)采用232芯片，達(dá)到3～5V電平的雙向轉(zhuǎn)換的要求。

微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人控制電路硬件主要由以下模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器模塊、無(wú)線接收模塊以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。微型拋擲式偵察機(jī)器人控制電路主要的功能就是通過(guò)接收到的控制指令調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖邏輯和頻率，從而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)加速、減速、前進(jìn)、后退等運(yùn)動(dòng)控制。

1.3 無(wú)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

與硬件設(shè)計(jì)類似，微型拋擲式偵察機(jī)器人無(wú)線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含無(wú)線控制指令發(fā)射軟件設(shè)計(jì)和微型機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)。其中無(wú)線控制指令發(fā)射的軟件設(shè)計(jì)主要指通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)PC工作站以及MSP430F22x4單片機(jī)串口之間的通訊以及發(fā)送控制指令。而微型機(jī)器人控制的軟件設(shè)計(jì)是指通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)模塊接收發(fā)射的控制指令以及實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速的控制。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，不僅有利于編程的實(shí)現(xiàn)，還有利于軟件功能得繼續(xù)擴(kuò)展。

2 微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，微型機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式包含有全自主控制以及半自主控制方式，文章采取后者進(jìn)行微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為滿足使用者對(duì)其便攜性、靈活性、嵌進(jìn)性的要求，文章設(shè)計(jì)了微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人的手持監(jiān)控系統(tǒng)。

在微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人的作業(yè)中，手持監(jiān)控系統(tǒng)可以在全局上起到監(jiān)測(cè)以及便于控制的作用。文章將微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人的手持監(jiān)控系統(tǒng)分為以下六大功能模塊：狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)模塊、作業(yè)視圖監(jiān)視模塊、無(wú)線通信模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、數(shù)字地圖交互模塊以及路徑規(guī)劃模塊。

在該手持監(jiān)控系統(tǒng)中，狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)模塊主要對(duì)微型拋擲式偵察機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)；作業(yè)視圖監(jiān)視模塊主要對(duì)微型拋擲式偵察機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)視；無(wú)線通信模塊主要實(shí)現(xiàn)微型拋擲式偵察機(jī)器人作業(yè)中的狀態(tài)信息、運(yùn)動(dòng)調(diào)整、視頻信號(hào)等數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸；遠(yuǎn)程控制模塊主要對(duì)機(jī)器人作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行編碼和發(fā)送；數(shù)字地圖交互模塊主要對(duì)機(jī)器人作業(yè)的地理環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)字化顯示，并且實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；路徑規(guī)劃模塊主要對(duì)機(jī)器人作業(yè)的路徑進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的最優(yōu)化搜索。

2.2 硬件系統(tǒng)

文章基于嵌進(jìn)式系統(tǒng)的PCI總線，采用其PC/104plus總線結(jié)構(gòu)，對(duì)微型拋擲式偵察機(jī)器人的手持監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括圖像采集模塊、無(wú)線通信模塊、遠(yuǎn)程控制器模塊、中心處理模塊以及液晶顯示模塊。在這五大模塊中，無(wú)線通信模塊還包含無(wú)線視頻傳輸模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中無(wú)線視頻傳輸模塊主要進(jìn)行寬帶數(shù)據(jù)（比如微型拋擲式偵察機(jī)器人的作業(yè)視圖信號(hào)）的無(wú)線傳輸；而無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要進(jìn)行微型拋擲式偵察機(jī)器人作業(yè)時(shí)的窄帶數(shù)據(jù)（比如運(yùn)動(dòng)指令以及狀態(tài)信息等）的無(wú)線傳輸。

在文章設(shè)計(jì)的手持監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過(guò)接口對(duì)硬件系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行交換信息和共享數(shù)據(jù)等操作：（1）通過(guò)嵌進(jìn)式圖像采集模塊與PC/104plus總線的接口，中心處理模塊可以進(jìn)行各模塊之間作業(yè)視圖數(shù)據(jù)的傳輸；（2）通過(guò)串口，中心處理模塊與遠(yuǎn)程控制器模塊以及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊能夠連接起來(lái)；（3）通過(guò)TTL接口，中央處理模塊可以和液晶顯示模塊連接起來(lái)；（4）通過(guò)RCA接口，無(wú)線視頻傳輸模塊和嵌進(jìn)式圖像采集模塊之間能夠進(jìn)行傳輸復(fù)合視頻信號(hào)的操作。

2.3 軟件系統(tǒng)

文章選用WinCE作為嵌進(jìn)式操作系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行微型拋擲式偵察機(jī)器人手持監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括定制操作系統(tǒng)、開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用程序等步驟。而其中應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)主要是指串口通信、鍵盤掃描、數(shù)字地圖交互、視頻處理、以及路徑規(guī)劃這五大模塊的開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)微型拋擲式應(yīng)急偵察機(jī)器人設(shè)計(jì)一種基于MSP430F2

234單片機(jī)的無(wú)線控制系統(tǒng)和一種基于嵌入式PC/104plus總線結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有很好的工程實(shí)際應(yīng)用意義。

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作者簡(jiǎn)介：王樂(lè)（1994，4-），漢族，四川達(dá)州人士，西南科技大學(xué)信息工程專業(yè)2012級(jí)本科。

劉滿祿（1981，9-），西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院老師，博士，研究領(lǐng)域：機(jī)器人技術(shù)。

杜敏（1994，3-），西南科技大學(xué)信息工程專業(yè)2012級(jí)本科。

陶波（1993，3-），西南科技大學(xué)信息工程專業(yè)2012級(jí)本科。