張睿 陳辰

摘 要：高校機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)越來(lái)越普及。為鍛煉學(xué)生實(shí)踐操作能力，提升教學(xué)效果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的教學(xué)機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用三輪萬(wàn)向結(jié)構(gòu)和無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，底盤(pán)與上位機(jī)通信接口采用WiFi協(xié)議。設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的控制交互協(xié)議，定義不同的控制和通信幀結(jié)構(gòu)，完成對(duì)機(jī)器人底盤(pán)的移動(dòng)控制和信息交互，便于學(xué)生操控和開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和試用，功能可以滿足機(jī)器人教學(xué)和相關(guān)科創(chuàng)活動(dòng)需求。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;底盤(pán);實(shí)踐教學(xué); 交互協(xié)議

DOI：10. 11907/rjdk. 192655 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）008-0169-04

Abstract：Robot teaching in universities has become more and more popular. In order to train students practical operation ability and improve teaching effect， a practical teaching robot mobile chassis system is designed and realized. The mechanical structure of the system uses a three-wheel universal structure and a brushless motor drive scheme， and the communication interface between the chassis and the host computer uses the WiFi protocol. A complete control interaction protocol is designed， which defines different control and communication frame structures to complete the mobile control and information interaction of the robot chassis， and it is convenient for students to control and develop. The testing and trial prove that the function can meet the needs of robot teaching and related scientific and technological innovation activities.

Key Words： robot; chassis; experimental teaching; interactive protocol

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用越來(lái)越廣泛，逐漸從工業(yè)走入人們的日常生活，給人們帶來(lái)了越來(lái)越多的便利。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為科技發(fā)展前沿方向之一，我國(guó)許多高校[1-4]甚至中小學(xué)都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程[5-6]，在各種各樣的機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行操控和實(shí)踐。但由于機(jī)器人教學(xué)是一個(gè)全新領(lǐng)域，目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和操作規(guī)范，基本上都是各自為政，由任課教師自行選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。有的文獻(xiàn)[7-9]采用虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有真實(shí)的機(jī)器人平臺(tái)，要花費(fèi)大量精力學(xué)習(xí)專門的機(jī)器人仿真軟件，教學(xué)效果不佳;有些機(jī)器人是用單片機(jī)或者ARM處理器[10]控制的，需要在專用嵌入式編程開(kāi)發(fā)環(huán)境下操作，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能簡(jiǎn)單，接口定義復(fù)雜，往往涉及到大量軟硬件參數(shù)配置和初始化工作[11]，需要學(xué)生具有專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐技能，降低了實(shí)踐教學(xué)效率。

筆者結(jié)合多年科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)科研項(xiàng)目中研發(fā)的機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行梳理和改進(jìn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適合高校教學(xué)實(shí)踐的機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件底盤(pán)平臺(tái)和相應(yīng)軟件模塊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。為便于操控和升級(jí)，專門設(shè)計(jì)定義了一套網(wǎng)絡(luò)接口交互協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人底盤(pán)上的傳感器信息的采集和運(yùn)動(dòng)控制。學(xué)生不需要額外學(xué)習(xí)專門的開(kāi)發(fā)軟件或仿真工具，可以選擇自己擅長(zhǎng)的編程工具，通過(guò)socks編程方式控制機(jī)器人。經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)應(yīng)用及多項(xiàng)科創(chuàng)活動(dòng)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)平臺(tái)的功能和可靠性，證明其適合高校機(jī)器人課程應(yīng)用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤(pán)最重要的功能是運(yùn)動(dòng)，目前使用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有仿生足式、履帶式和輪式等。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和可靠性方面考慮，輪式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、操控方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合于教學(xué)應(yīng)用。輪式結(jié)構(gòu)又分為四輪驅(qū)動(dòng)[10]、雙輪差分驅(qū)動(dòng)+隨動(dòng)輪、三輪全向驅(qū)動(dòng)等，根據(jù)實(shí)際使用效果和功能分析，筆者選定三輪全向驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是：①三輪全向結(jié)構(gòu)通過(guò)分別控制3個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速和方向，可以驅(qū)動(dòng)底盤(pán)向任意方向平移和旋轉(zhuǎn)，底盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向和速度調(diào)整控制算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn);②全向輪受地面影響較小，前后平移距離和旋轉(zhuǎn)角度控制比較準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)路線不容易偏移;③全向輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工精度要求不高，相對(duì)于另一種常用的麥克納姆輪[12]成本較低。

機(jī)器人底盤(pán)采用圓形結(jié)構(gòu)，3個(gè)全向輪在底盤(pán)圓周均勻分布，編號(hào)依次為0～2，則底盤(pán)運(yùn)動(dòng)的前方就是與2號(hào)輪指向圓心方向。機(jī)械安裝如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用無(wú)刷電機(jī)，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)全向輪。電機(jī)選擇GMP28-TEC2847-1280-100[13]，12V供電，功率為5W，內(nèi)置安裝好的驅(qū)動(dòng)器和減速器。全向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法可以參考文獻(xiàn)[14]。

為提高機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的感知能力，必須增加必要的傳感器用來(lái)探測(cè)周圍障礙物等信息，然后根據(jù)實(shí)際情況制定運(yùn)動(dòng)路線和控制策略，以提高機(jī)器人智能程度。從功能和成本等方面綜合考慮，筆者選用常用的紅外和聲納兩種探測(cè)器進(jìn)行底盤(pán)設(shè)計(jì)。其中紅外探測(cè)器探測(cè)范圍是10～50cm，探測(cè)距離固定，主要用于運(yùn)動(dòng)中的近距離障礙物探測(cè)，及時(shí)作出避障處理。而聲納的有效距離為20～1 000cm，用于較遠(yuǎn)距離的物體探測(cè)，可以探測(cè)物體的具體距離，用來(lái)做地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃等用途。

筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人底盤(pán)共安裝了8個(gè)紅外探障傳感器和4個(gè)聲納傳感器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。紅外傳感器沿著圓周均勻分布，按照順時(shí)針編號(hào)依次為0～7，其中0為正前方，各圓心角間隔為45度。聲納傳感器編號(hào)為A～D，分別對(duì)應(yīng)前、右、后、左4個(gè)方向。這些傳感器能夠滿足大部分探障需求。

2 底盤(pán)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

教學(xué)用機(jī)器人的目的主要是面向教學(xué)實(shí)踐以及科創(chuàng)競(jìng)賽，操作者一般都是學(xué)生和科創(chuàng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)人員，經(jīng)常會(huì)更改程序和進(jìn)行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。程序代碼均在臺(tái)式機(jī)或筆記本上進(jìn)行，傳統(tǒng)的軟件下載到機(jī)器人底盤(pán)往往需要連接專門的調(diào)試線（如網(wǎng)線、串口線或者JTAG調(diào)試線等），會(huì)帶來(lái)很多不便和安全隱患。筆者在前期教學(xué)實(shí)踐中就希望能有一款無(wú)線操控的機(jī)器人底盤(pán)，學(xué)生可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。根據(jù)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一款控制系統(tǒng)，包括硬件電路和軟件模塊，可用于課程實(shí)踐活動(dòng)。

2.1 機(jī)器人底盤(pán)硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)器人底盤(pán)選用一片F(xiàn)PGA芯片（Altera公司的EP4CE6），用于傳感器信號(hào)采集和電機(jī)控制，主要功能有3個(gè)：①控制紅外信號(hào)發(fā)送和接收，結(jié)果存放在一個(gè)寄存器中，每個(gè)bit對(duì)應(yīng)一路紅外傳感器，1表示有障礙物，0表示無(wú)障礙物;②控制聲納發(fā)送和接收，返回結(jié)果為障礙物距離，聲納探測(cè)結(jié)果存放在一個(gè)16bit的寄存器中;③根據(jù)命令產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)，包括方向和PWM值，同時(shí)接收電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)方式調(diào)整電機(jī)速度。

主控制器選用TI公司的MSP430F5438A[15]單片機(jī)芯片，主要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的流程控制和數(shù)據(jù)通信。主要功能有：①通過(guò)UART接口外接WiFi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)交互，接收上位機(jī)命令或者向上位機(jī)傳遞反饋參數(shù);②通過(guò)總線接口和GPIO接口與FPGA芯片連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的初始化和控制，同時(shí)接收對(duì)應(yīng)的傳感器信息或進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

硬件電路還預(yù)留了多個(gè)ADC、串口和GPIO接口，可以根據(jù)需求擴(kuò)展外接設(shè)備，提升機(jī)器人底盤(pán)功能。

2.2 機(jī)器人底盤(pán)軟件結(jié)構(gòu)

底盤(pán)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，作用是接收上位機(jī)控制命令，根據(jù)命令進(jìn)行傳感器信息采集或電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)把反饋信息發(fā)送給上位機(jī)。目前的標(biāo)準(zhǔn)配置包括紅外避障、聲納探障和電機(jī)驅(qū)動(dòng)3個(gè)基本模塊，可滿足一般教學(xué)需求。對(duì)于高水平的教學(xué)和科創(chuàng)活動(dòng)，另外開(kāi)發(fā)了家電遙控、光效控制、環(huán)境探測(cè)、自身姿態(tài)定位探測(cè)和安防控制等模塊，可以酌情增減。

機(jī)器人底盤(pán)與上位機(jī)通信采用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式。設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的接口控制協(xié)議，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易API接口，通過(guò)界面參數(shù)設(shè)置的方式操控機(jī)器人。允許學(xué)生直接根據(jù)協(xié)議自行選擇編程工具，通過(guò)socks編程方式進(jìn)行自主功能開(kāi)發(fā)。

3 控制接口協(xié)議設(shè)計(jì)

操控機(jī)器人底盤(pán)系統(tǒng)時(shí)，上位機(jī)與底盤(pán)之間必須進(jìn)行有效的命令和信息傳遞，筆者采用數(shù)據(jù)幀的格式定義控制協(xié)議。數(shù)據(jù)幀形式不受上下位機(jī)軟件系統(tǒng)限制，開(kāi)發(fā)人員可以選擇任意編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)需要的功能。

數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度統(tǒng)一規(guī)定為10個(gè)字節(jié)，具體定義如圖6所示。

其中：Byte0～4：共5個(gè)字節(jié)，為幀同步序列，采用 “ROBOT”單詞的ASCII碼（0x52，0x4F，0x42，0x4F，0x54）作為數(shù)據(jù)幀的頭部識(shí)別標(biāo)志;Byte5：為命令字，對(duì)應(yīng)不同的操作控制;Byte6-9：為命令參數(shù)，根據(jù)具體命令字而定。

Byte5命令字決定一個(gè)數(shù)據(jù)幀具體功能，定義如圖7所示。

其中：Bit7-6：幀類型指示;

00：主動(dòng)控制命令，不需要應(yīng)答

01：主動(dòng)控制命令，需要應(yīng)答

10：應(yīng)答幀

Byte5-2： 命令類別，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備類型;

Byte1-0： 00表示讀，01表示寫(xiě)，10表示特殊操作。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制命令解析

運(yùn)動(dòng)控制命令數(shù)據(jù)幀的Byte5中，命令類別定義為二進(jìn)制數(shù)值0001。操作類別取值不同，后續(xù)參數(shù)定義也不同。有3種情況：

（1）操作類別=00。表示對(duì)電機(jī)的單個(gè)配置寄存器進(jìn)行讀操作， Byte6參數(shù)表示讀取地址。底盤(pán)接收到讀取命令（Byte5=0x04）后進(jìn)行應(yīng)答反饋，反饋幀Byte5=0x84（表示對(duì)電機(jī)讀取命令的應(yīng)答）;Byte6=讀取地址;Byte7=讀取到的數(shù)據(jù)。

（2）操作類別=01。表示對(duì)電機(jī)的單個(gè)配置寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作，命令格式為Byte5=0x05，表示電機(jī)寫(xiě)入;Byte6參數(shù)為寫(xiě)入地址，Byte7為寫(xiě)入數(shù)據(jù)?？梢跃唧w配置每個(gè)電機(jī)的參數(shù)，分別控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向。

（3）操作類別=10。表示對(duì)底盤(pán)進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)控制。命令格式為Byte5=0x06;Byte6為運(yùn)動(dòng)方向參數(shù)，有停止、平移（前、后、左、右等8個(gè)方向）、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等選擇;Byte7值為0～255，表示運(yùn)動(dòng)速度。

上述命令中，整體運(yùn)動(dòng)控制命令③的使用比較簡(jiǎn)單，可以統(tǒng)一控制底盤(pán)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，適合初學(xué)者對(duì)底盤(pán)進(jìn)行操控。而命令②可以對(duì)每個(gè)電機(jī)的速度和方向進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，適合于層次較高的教學(xué)應(yīng)用和科創(chuàng)競(jìng)賽活動(dòng)開(kāi)發(fā)。

3.2 運(yùn)動(dòng)傳感器命令解析

紅外避障傳感器和聲納都屬于運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傳感器，數(shù)據(jù)幀Byte5中命令類別定義為二進(jìn)制數(shù)值0010。為統(tǒng)一管理，所有傳感器的控制參數(shù)和結(jié)果都存放在一個(gè)寄存器表中，可以對(duì)其中的每個(gè)寄存器（8bits）進(jìn)行讀寫(xiě)操作。具體安排如表1所示。

傳感器地址編號(hào)最多有256個(gè)，現(xiàn)在僅定義了上述幾種，其它編號(hào)可以用于后續(xù)改進(jìn)擴(kuò)展。

紅外避障信息采集步驟：①先打開(kāi)紅外開(kāi)關(guān)，發(fā)送命令字Byte5=0x09，Byte6=紅外開(kāi)關(guān)地址0，Byte7=啟動(dòng)參數(shù);②讀取紅外結(jié)果，發(fā)送命令字Byte5=0x08，Byte6=紅外探測(cè)結(jié)果地址1;③得到應(yīng)答幀，Byte5=0x88，Byte6=紅外探測(cè)結(jié)果地址1，Byte7=探測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。如果紅外開(kāi)關(guān)一直打開(kāi)，可以直接讀取探測(cè)結(jié)果。