一種SWARM單體機器人的設計與實現

摘 要： 介紹了一種SWARM機器人的單體設計與實現。為實現SWARM機器人的批量制造、單體多功能的目的；在此首先采用了模塊化設計方法；用CAN總線實現了主嵌入式CPU與各模塊MCU的連接，形成了多CPU的控制體系結構；主嵌入式軟件采用了基于數據池的多線程軟件架構，模塊微控器使用了基于消息伺服的多任務操作程序。通過機器人單機調試，獲得了穩定的機器人單體控制結果。該機器人系統具有結構緊湊、易于批量生產、單體功能可伸縮的特性。

關鍵詞： SWARM機器人； 系統自治； 系統分析與集成； 機器人設計

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0085?04

0 引 言

SWARM機器人，是一種特殊類型的多機器人系統，由許多低成本自治機器人組成，具有典型的分布式系統特征。單體機器人具有自治性，可在外部環境和目標的激勵下，感知自身內部參數變化，并通過與其他外部機器人之間的信息和能量交換來進行決策，規劃自身行為。SWARM機器人系統，主要研究一群能力有限的個體機器人，通過交互、協調和控制涌現群體智能，以合作完成相對復雜的規定任務，他們應該可以在不可預知的外界環境下，以宏觀任務為目標不斷進化學習[1?4]。

課題組的整體目標是設計自組織算法，使一群反恐機器人，在變化的環境下（如障礙變化），圍獵恐怖份子機器人，使其無法自由移動，并最終被反恐SWARM 機器人制服，拖回“警局”。期望設計實時自組織的分布式控制系統，可以在單體反恐機器人有限感知，局部交互的情況下，自組織形成整體的行動策略，堵截恐怖份子機器人。因此，本文介紹了一種SWARM機器人單體的設計方案。

1 整體功能介紹

所設計的SWARM機器人系統如圖1所示，每個機器人單體具有獨立行動的能力，包括視覺，聽覺，發聲，行走，發光，等動作，同時設計了單體機器人可以用自己的機械手夾持在另外機器人的腰帶上，以此組裝成一個整體，使整體機器人的力量會更強大（能量傳遞），以完成宏觀功能。單體機器人腰帶可以發光，通過機器人頂部的全景攝像頭可以看到發光機器人的發光顏色與方位，然后以此判斷對方機器人的狀態（比如需要幫助，就亮紅燈等）。即光信號可以成為單體機器人之間的“語言”。同樣也可以約定聲音信號為機器人的語言，以此來完成局部通信，短距離（臨近區域）的傳遞信息。單體機器人就是利用簡單的規則，通過數量上的優勝，使簡單規則演化為宏觀功能的。中央衛星攝像頭可以監控各個機器人的位置，為中央主控提供依據。通過無線網絡，下達對單體機器人的控制命令，同時可以下載策略程序到機器人。策略程序采用腳本編寫，不用編譯就可以在機器人上解釋執行。

2 機器人系統的硬件設計

硬件設計結構如圖2所示，其分為以下幾個模塊：主控嵌入式PC104及通信系統；發光腰帶及機械夾爪模塊；鋰離子電池充電供電模塊；底層運動底盤。整體機器人采用模塊化設計，即各模塊可以單獨拆開，也可以隨意合并，采用總線與電力線作為電氣接口，相同的機械連接，這樣就可以任意模塊組裝拆卸。為以后開發不同功能模塊提供前提。如圖2所示為機器人模塊構成示意圖。

2.1 底層運動模塊

采用履帶式行走底盤，大面積著地保持穩定，保證在過溝時有很大的穩定性，單片機采用PIC18F458，通過PID算法，采用PWM信號驅動H橋，控制底部兩臺直流空心杯減速電機帶動履帶。與此同時，底部還配備一個轉動云臺，采用渦輪蝸桿傳動，直流伺服電機驅動，做位置反饋伺服，來控制機器人身體的扭轉角度。底部及側面安裝接近開關感知周圍障礙與溝壑。采用CAN總線與PC104系統相連，來完成PC104計算機對速度與位置的控制。電機采用瑞士空心杯伺服減速直流電機，額定電壓12 V，電機功耗8 W。

2.2 鋰電池供電充電保護模塊

采用6節A123磷酸鐵鋰電池作為電力供應，作為動力電池，鐵電池有著電力密度高，電池容量大，使用安全等重要特性。設計了電池充放電的保護電路，使電池組具有過流保護，短路保護，欠壓保護，過壓保護，超溫保護等功能。機器人上設置了電池平衡電路，保證電池串充的一致性，并配有充電芯片，以實現恒流，恒壓，涓流的充電模式。設計了外部供電與電池供電的自動切換電路，當外電有供應時，可以使用外電給機器人上的設備供電，同時給電池充電；當外電去除時，電池自動切換為供電模式。供電時間達到2 h以上，電力配置專門采用了一片PIC18F4580單片機，可以根據外界紅外控制機器人電力供應，完成平衡控制算法，并通過CAN總線把相關電池信息發布到PC104系統，給液晶屏電量顯示信息。同時提供20 V，2 A，與5 V，3 A的兩路電源輸出為各模塊系統供電。該模塊與主控模塊一同封裝在機器人頭部。

2.3 發光腰帶與夾爪模塊

設計了機械夾爪，用于聯合同伴，食物采集等情況。在機械夾爪內部設計了微型電機，控制夾爪開合，驅動電路通過檢測驅動電流，判定機械手的夾緊程度。夾緊速度采用PWM控制。腰帶上有8組LED燈，每組紅，綠，藍三種顏色，共24個LED分別控制 ，采用8顆并聯恒流源芯片單總線通信的方式控制LED的亮度與顏色。配備一個接近開關，用于判定被夾持物體接近夾爪的信號。采用一片PIC18F4580單片機，利用CAN總線，接受PC104提供的夾爪與腰帶LED的控制命令，實現短程信息傳播和團隊合作。

2.4 嵌入式主控模塊

機器人的頭部采用帶有Windows操作系統的嵌入式PC104系統連接WiFi無線網卡，配備USB攝像頭，裝有喇叭，麥克，點陣顯示器，操作按鈕，撥動開關。由于采用PC104控制系統，使得機器人可以采用無線網絡的方式進行系統組網，使系統擁有集中廣播的信道，也方便了策略程序的下載。由于USB攝像頭價格低廉，而且接口方便，是多機器人視覺的理想解決方案。由于操作系統集成了聲卡，可以方便使用MIC與喇叭進行語音識別，完成相應合作語言的開發。PC104系統板載AMD LX800 500 MHz CPU，256 MB DDR內存，EDOM存儲器接口，1個（10/100）Mb/s以太網控制器，4個USB 2.0 接口、1個PS/2鼠標/鍵盤接口、1個RS 232、 1個RS 232/422/485，2個CAN 2.0口，單5 V供電，外形尺寸： 96 mm×90 mm典型功耗4.6 W。為顯示機器人內部狀態，專門配備一顆PIC18F4580控制器驅動液晶顯示器，采用CAN總線接收PC104系統的顯示更新。指示燈顯示了目前的運行狀態、故障顯示等。

2.5 機械電氣接口

系統采用模塊化設計，所以各個模塊均采用統一的電氣連接接口，即20 V的電力線和2條CAN總線。同時設計了防止插反的機械接口，加強接口的機械性能，為模塊化設計提供基礎。

3 機器人系統的軟件設計

單體機器人的軟件包括頂層PC104嵌入式系統軟件，底層單片機MCU軟件，CAN總線協議棧軟件的編寫。由于整個控制系統采用了DCS的控制方式，提高了系統的穩定性，不同層面的控制交由不同控制器來運行，同時，由于模塊化，提升了系統的擴充性能。

控制系統結構如圖3所示，模塊微控軟件采用了基于消息伺服的多任務操作程序。

3.1 MCU軟件設計

整個系統采用了5片單片機，用于機器人底層神經級的硬件控制，主要分為3種控制類型：供電系統控制，電機控制和顯示控制。

機器人的供電系統單獨采用了一顆芯片進行控制，其中電池保護電路的各種保護為單片機提供中斷使單片機發出不同的命令，來保護電池，切斷電池充電，供電的FET管。充電時采用了平衡控制狀態機控制結構，完成電池平衡充電。通過定時中斷，低優先級的通過CAN總線向上發送6節電池電壓信息，通過通知的方式，發布電池保護信息。轉交PC104處理。

電機控制使用了兩片單片機分別對兩臺伺服電機控制速度（履帶電機），一臺伺服電機控制位置（轉臺電機）。履帶電機采用PID閉環反饋控速，單片機采用PWM的方式同時驅動兩臺電機，電機編碼器信號進入單片機的計數器進行轉速提取，速度設定值通過CAN總線由PC104系統指定。位置信息是由速度信息積分得到的，使用加一重位置環反饋，實現轉臺位置控制。

顯示控制采用了兩片單片機分別對液晶屏處理更新和腰帶8組LED顯示控制，這兩種顯示設備都需要通信來修改智能芯片的內部寄存器來實現對上述顯示的控制，通信分別采用了I2C總線與單線總線。

3.2 PC104系統軟件設計

PC104系統軟件完成機器人的大腦控制，其具體功能如下：系統啟動后，會自檢機器人的組態，即能夠識別出那些模塊聯到了總線上，并根據這些模塊組建數據池，以提供機器人整體硬件的模式。系統可運行腳本，作為機器人的控制策略（激勵?反應模型），同時可以從上位機下載腳本，隨時改變機器人的智能策略，可以把各種狀態信息顯示在液晶屏幕上，能通過小型PDA或其他手持設備對其單獨通信控制。頂部全景攝像頭可做圖像處理。利用聲卡做語音識別。軟件采用基于數據池的多線程軟件架構，如圖4所示。

4 與中央主控程序接口設計

雖然SWARM機器人是自組織的分布式控制系統，不需要中央主控計算機也能處理任務，但是該系統還是設計了中央主控計算機，提供高空攝像頭對地面機器人進行定位，導航，中央主控可以實現任務調度，任務分配，系統仿真以及單體策略下載等服務，利用無線網絡還可以進行集體廣播，實現資源合理優化配置。這些功能都需要設計機器人的無線通信軟件接口實現。如圖5 所示為以本文為基礎制造的SWARM單體機器人。

5 結 語

SWARM機器人系統有以下特點：信息密集，多層次，知識表示方式與環境交互方式豐富多樣，信息與知識分布存儲。系統本身就是一個高層次，多系統的復雜系統工程，不是單元技術的簡單連接，系統的總功能是各種分系統在多層次的協調和分工中集成的，因此機器人系統平臺集成技術是一個核心問題，其主要內容就是系統體系結構的研究[5?6]。另外，SWARM機器人的協調控制也是該類機器人的研究熱點[7?9]，而這些都是基于SWARM單體機器人的具體形式而展開研究的。本文介紹了一種SWARM機器人的系統平臺解決方案，在實際制造的過程中證明了該套平臺體系層次分明，工程化程度高，易于擴充，容易分工實現，同時，機器人的意識行為與反射行為較好的統一在一起。本機器人系統軟件設計并沒有充分考慮數據融合于知識存儲表示，在下一階段的工作將在系統信息知識的存儲及數據挖掘方面進行改進與提高。

參考文獻

[1] KERNBACH S， THENIUS R， KERNBACH O， et al. Reembodiment of honeybee aggregation behavior in arti?cial microrobotic system [J]. Adaptive Behavior， 2009， 17（3）： 237?259.

[2] MCLURKIN J， LYNCH ndrew J， RIXNER Scott， et al. A low?cost multi?robot system for research， teaching， and outreach [J]. Distributed Autonomous Robotic Systems， 2010， 83： 597?609.

[3] RUBENSTEIN Michael， AHLER Christian， NAGPAL Radhika. Kilobot： a low cost scalable robot system for collective behaviors [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Saint Paul， MN： IEEE， 2012： 3293?3298.

[4] 薛頌東，曾建潮.群機器人研究綜述[J].模式識別與人工智能， 2008，21（2）：176?185.

[5] 符德曉，李曉明.一種開放式機器人足球比賽仿真系統的研究[J].機電工程，2011.28（1）：55?59.

[6] 劉磊，許曉鳴.自主導航蔽障移動機器人仿真軟件設計[J].華中科技大學學報：自然科學版，2011，24（z2）：246?248.

[7] 郭晉煒.基于微粒群算法的群機器人系統路徑規劃研究[D].太原：太原科技大學，2009.

[8] 熊舉峰.群機器人學[J].計算機工程與應用，2008，44（31）：39?42.

[9] MONDADA F， BONANI Michael， RAEMY Xavier， et al. The e?puck， a robot designed for education in engineering [C]// Proc. of the 9th Conf. on Autonomous Robot Systems and Competitions. Castelo Branco， Portugal： CARSC， 2009， 1： 59?65.

[10] 張建暢，王建超.基于虛擬現實的機器人遙操作系統設計[J].微計算機信息，2008，24（8）：246?248.