單兵作戰用機器人控制系統設計

張愛麗

（北京青云航空儀表有限公司 北京 100086）

單兵作戰用機器人體積小，方便單兵野外作戰時攜帶，可完成偵察、作戰、排爆等任務[1]。機器人能夠代替人類到達不方便到達或危險的環境，確保了士兵的安全。車體是履帶式設計，行動平穩[2]。

1 單兵作戰用機器人控制系統硬件設計

為了實現士兵對機器人的實時控制，需要配合使用遙操控終端[3]。機器人與遙操控終端的工作原理如圖1所示。

圖1 機器人與遙操控終端工作原理圖Fig.1 Principle of robot and remote control terminal

遙操控終端通過按鈕、開關、搖桿采集工作人員的操控指令，將操控指令轉換成數據，按照規定的格式通過串口發給無線電臺，無線電臺將該數據發送出去；機器人控制系統的無線電臺接收到來自操控終端的控制指令后，按照操控指令控制機器人運動、武器擊發，同時機器人控制系統采集機器人的GPS位置、電池電量、超聲波避障信息等，把機器人信息打包后通過機器人上的無線電臺發送給遙操控終端的電臺，遙操控終端接收到機器人信息后，將其顯示在人機界面上，以備士兵隨時掌握機器人的實時信息。

單兵作戰用機器人控制系統是基于DSP芯片及與其外圍電路、電源電路組成。 DSP芯片選用TMS320F2812[4-5]。TMS320F2812是美國TI公司推出的C2000平臺上的定點32位DSP芯片，主頻150 MHz、處理性能可達150 MIPS，每條指令周期6.67 ns。TMS320F2812包括4M可尋址程序空間和4M可尋址數據空間。同時片內具有128×16位的FLASH存儲器和18K×16位的SRAM。TMS320F2812采用3.3 V和1.8 V供電，功耗低。TMS320F2812的外部接口非常豐富，16路12位的ADC采集通道，SPI、SCI通信模塊，多達56個復用I/O引腳。

單兵作戰用機器人控制系統組成如圖2所示。

圖2 DSP芯片及外圍電路Fig.2 DSP and peripheral circuit

1.1 I/O端口

TMS320F2812的GPIOA0－GPIOA3口設置成基本輸入輸出端口，端口配置及屬性如表1所示。

表1 GPIOA端口設置Tab.1 GPIOA ports-settings

超聲波避障信號用于探測機器人前方0.5 m內是否有障礙物，如遇到障礙物，機器人可自動轉彎避開。武器擊發開關用于機器人上武器的擊發控制，手電開關用于機器人上手電的開關控制，攝像頭廣窄角選擇用于機器人上攝像頭的廣角與窄角的切換。

1.2 A/D端口

TMS320F2812的A/D轉換器模塊共有16個通道，模擬電壓的輸入范圍是0～3 V。這里用了其中的2個通道，分別用來測量機器人上的2塊24 V鋰電池的電量。圖3中電量測量電路分為3個部分：差分比例1：10電路，把24 V電壓轉換到0～2.4 V區間；隔離比例1：1電路，能有效的隔離輸入電壓與DSP的前端接口；電壓鉗位電路，將輸入到DSP端口的電壓鉗位在3.3 V以內，防止電源電壓意外浪涌時損壞DSP的A/D轉換端口。2路24 V電池電壓分別經過2路電量測量電路后，輸入到DSP的ADCINA0、ADCINA2兩個端口，根據采集到的電壓值，可計算當前電池的電壓，從而確定電池電量。

圖3 電量測量電路Fig.3 Electricity measurement circuit

1.3 串 口

TMS320F2812 的 GPIOF4、GPIOF5 配 置 成 串 口 1，GPIOG4、GPIOG5配置成串口2。串口1接收GPS的信息，用來確定當前機器人的位置信息[1]；串口2連接機器人電臺，實現與遙操控終端電臺的無線傳輸。機器人電臺連接攝像頭和麥克之后，能夠把影音信息傳送到遙操控終端的電臺，遙操控終端的工作人員即可接收到機器人附近的視頻、音頻信息。

1.4 電機控制

機器人的前進、后退、左轉、右轉由左履帶電機和右履帶電機控制。機器人上的武器通過做上下、左右調節來瞄準目標。

DSP的XINTF是其外部接口，這里使用了XD0－XD11共12根數據線，經過電平轉換為5 V電平后，連接到D/A轉換芯片。D/A轉換芯片選用了12位的AD664，可輸出4路0～5 V模擬電壓，4路模擬電壓作為控制電壓輸入到電機控制器，分別控制機器人左履帶電機、右履帶電機、武器上下調節電機、武器左右調節電機。

當電壓為2.5 V時，電機停轉；電壓小于2.5 V時，電機反轉；電壓大于2.5 V時，電機正轉。對于左履帶和右履帶，通過輸出的控制電壓，可實現車體前進、后退的無級變速，以及左、右轉彎的運動控制。

1.5 電源供電電路

鋰電池具有體積小、重量輕、容量大的特點。機器人內置2組24 V供電電池。第1組24 V電池為左履帶電機、右履帶電機、武器上下調節電機、武器左右調節電機供電。第2組24 V電池經過DC/DC模塊，轉換成12 V電壓和5 V電壓。12 V電壓用來給機器人上的無線電臺供電。5 V電壓為控制電路供電，同時經過電源轉換電路，轉換成3.3 V和1.8 V電壓為DSP供電。為了監測DSP芯片供電電壓是否正常，增加了電壓監控電路，當DSP芯片供電不正常時，可將此故障報送到電臺發送到遙操控終端。

圖4 電源工作原理Fig.4 Power supply principle

2 單兵作戰用機器人控制系統軟件設計

單兵作戰用機器人控制系統軟件分為主程序和中斷服務程序兩部分。主程序實現的流程如圖5所示，上電初始化處理器的I/O端口、A/D端口、串口等資源，初始化完畢開始與遙操控終端軟件進行通信，握手成功后，開啟軟件定時器、中斷，定時采集機器人信息，包括超聲波避障、電量測量值、GPS信息[6]。

當串口2即機器人無線電臺出現接收數據中斷時，表明接受到來自遙操控終端的控制數據，此時處理器進入中斷服務程序，如圖6所示。中斷程序首先將串口2接收到的數據保存到寄存器，然后將最新采集的機器人信息按照預定格式發送到串口2，通過機器人無線電臺發送給遙操控終端。程序還需要根據串口2所接到的數據，按照預定的格式分配到處理器的各個端口，實現遙操控終端的控制指令，包括武器擊發開關、手電開關、攝像頭廣角窄角切換、左履帶電機轉動方向和速度、右履帶電機轉動方向和速度、武器高低轉動方向和速度、武器左右轉動方向和速度。

圖5 主程序框圖Fig.5 Main program flow chart

圖6 中斷服務程序框圖Fig.6 Interrupt service routine flow chart

3 結束語

單兵作戰用機器人便于攜帶、操控簡單、可廣泛應用于軍隊、武警部隊。文中所設計的單兵作戰用機器人控制系統實時性高、設計合理，理論試驗驗證可行，在實際應用中得到了用戶的認可。

[1]王海彬.國外地面軍用機器人系統 [J].汽車運用，2005（11）:18-20 WANG Hai-bin.Surface military robotic system of foreign country[J].Auto Application，2005（11）:18-20.

[2]高峻峣.國外軍用機器人系統綜述 [J].機器人，2003（12）：746-750.GAO Jun-yao.Survey of military mobile robotic systems in foreign country[J].Robot，2003（12）:746-750.

[3]朱禮堯.機器人作戰平臺操控終端系統的設計[J].北京理工大學學報，2010（8）:940-942.ZHU Li-yao.Design on control terminal system of robot fighting platform[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2010（8）:940-942.

[4]蘇奎峰.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5]萬山明.TMS320F281X DSP原理及應用實例 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[6]張愛麗.基于PC104的GPS數據采集系統[J].電腦編程技巧與維護，2005（8）:81-83.ZHANG Ai-li.GPS data acquisition based on PC104[J].Computer Programming Skills&Maintenance，2005（8）:81-83.