微小地面機器人監控系統設計

王淑平，楊　衛，侯　爽

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

微小地面機器人監控系統設計

王淑平1，2*，楊衛1，2，侯爽1，2

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原030051）

為實現微小地面機器人群體控制、狀態監測及顯示，設計一種微小地面機器人的監控系統。系統由上位機、ZigBee通信模塊和下位機組成。上位機采用VB開發平臺設計監控界面，利用MSComm控件實現串口通信，并通過調用Matlab的COM組件，實現粒子群優化算法預推目標運動軌跡；ZigBee芯片選用高度集成、低功耗、高靈敏度的784/868/915 MHz的Zig-Bit900，無線網絡模塊通過串口分別與上位機及下位機連接，實現下位機與上位機組網通信；下位機以DSPIC33F單片機為主處理器，完成主控系統與無線網絡模塊及其它數據采集模塊之間的數據傳輸控制，實現監控系統對微小地面機器人群的監測和控制。通過實驗表明，該監控系統穩定、實時、可靠。

微小地面機器人；ZigBee通信；MSComm控件；COM組件；DSPIC33F單片機

無線傳感器網絡 WSN（Wireless Sensor Networks）是一種分布式傳感網絡，這種網絡通過降低數據吞吐量、增大消息延遲換取了比傳統WPAN低的成本和功耗。無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Networks），以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡［1］。微小地面機器人監控系統是以無線傳感器網絡節點為依托，實現微小地面機器人群指揮控制遠程化、決策指揮智能化、監測過程協同化，能自主完成信息采集、傳輸、融合、決策、指令下達等，提高自主監測微系統的有效監控，進而提高整個使用區域的控制效果［2-3］。

1　系統總體方案設計

本文設計的微小地面機器人監控系統，基于ZigBee無線網絡模塊和微小地面機器人系統組建無線傳感器網絡，完成對各微小地面機器人節點的執行任務情況以及各自位置狀態的數據傳輸，在上位機采用圖形化編程軟件VB設計監控界面，實現對各微小地面機器人狀態的監控。其系統結構圖如圖1所示。監控系統的主要功能是：（1）計算監控系統與微小地面機器人群的距離，根據安全距離畫出安全區域；（2）能夠對單個或多個微小地面機器人進行常規的運動控制；（3）能顯示微小地面機器人的布撒情況，并能查看某個微小地面機器人在建立的相對坐標系下的坐標以及經緯度；（4）能根據微小地面機器人感知系統采集的數據計算目標的運動軌跡等。

圖1　系統總體結構圖

2　系統硬件設計

2.1ZigBee通信硬件

無線網絡模塊作為系統的通信部分，在其中起到橋梁的作用。本設計的Zigbee芯片選用Atmel公司的ZigBit900模塊，ZigBit900是基于Atmel先進的混合信號硬件平臺開發的高度集成、低功耗、高靈敏度的784/868/915 MHz ZigBee模塊［4］。該模塊有豐富的接口，符合802.15.4規范的無線收發機，超過6 km戶外通訊距離；小于一平方英寸的封裝，并且已經集成了相關外圍電路的無源器件等。使用ZigBit900模塊的設計方案可以節省大量的開發時間。它主要由 ATmega1281 V微控制器和AT86RF212無線收發機構成，并配有 128 kbyte Flash和8 kbit RAM。接口包括JTAG調試接口，2個UART通信接口，1個I2C接口和3個GPIO。同時提供3個LED指示燈，用于收發數據、組網狀態的指示。節點通過UART接口連接到微型可移動單元的主控DSP，通過IO通道與小車動作控制器相連接。圖2為無線網絡模塊的結構框圖。IEEE802.15.4/ZigBee協議中定義了3種網絡拓撲結構：星形結構、簇樹結構和網狀結構，根據各微小地面機器人布局選擇使用合適的網絡結構，在本設計中選擇使用星形網絡，各微小地面機器人網絡節點均獨立工作，上位機的無線網絡模塊是通過串口與計算機連接并供電，完成上位機的無線網絡節點與各微小地面機器人網絡節點的數據傳輸。

圖2　網絡模塊的結構框圖

2.2微小地面機器人系統硬件

微小地面機器人硬件系統主要實現與監控系統通信、對微小地面機器人的控制和數據采集處理等。其硬件組成結構如圖3所示，每個微小地面機器人硬件組成都是一致的，主要由ZigBit900通信模塊、單片機處理模塊、GPS模塊、傳感器采集模塊組成。其主控板的核心電路如圖3所示。

單片機選擇的是 DSPIC33F系列單片機，DSPIC33F系列器件采用強大的16 bit架構，此架構將數字信號處理器DSP（Digital Signal Processor）的計算能力與單片機（MCU）的控制特性無縫地集成在一起。這種集成的功能對于需要高速、重復計算和控制的應用非常理想。基于設計需要系統選用DSPIC33FJ256MC710，是一種高性能16 bit數字信號控制器，采用了改進型的哈佛架構、C編譯器優化的指令集、流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、功耗低、速度高、體積小、功能強、抗干擾能力強等特點［5］。DSPIC33FJ256MC710高性能16 bit數字信號控制器內含有12 bit的A/D轉換器（500 ksample/ s）、直接存儲器訪問（DMA）、比較輸出、捕捉輸入、I2C接口、SPI接口、CAN接口、USART接口、Flash程序存儲器自讀寫等強大的控制功能，內核又具有強大的數字信號處理能力［6］。主控部分與微小地面機器人移動部分是通過CAN總線通信，GPS模塊、傳感器模塊和網絡通信模塊等外圍電路都是通過串口與DSPIC33F系列單片機連接實現數據通信的。

數據采集模塊硬件主要部分電路圖如圖4所示，采用熱釋電紅外（PIR）傳感器，采集系統主要由PIR傳感器、信號調理模塊、數據采集模塊、電源模塊組成［7］。傳感器選取muRata IRA-E700型雙元熱釋電傳感器，其具有高靈敏度和極佳的信噪比，對外部噪聲具有抗干擾能力。熱釋電輸出的信號經信號調理模塊進行放大、濾波等預處理經過A/D轉換交給數據采集模塊處理［8］。

圖3　主控板電路圖

圖4　數據采集模塊硬件的總體組成

3　系統軟件設計

3.1上位機軟件設計

上位機軟件的工作流程圖如圖5所示，上位機是采用VB可視化編程語言，主要是實現串口數據的提取及儲存、監控界面控制指令的發送和對串口數據的處理及響應［9］。數據包括對下位機發送的微小地面機器人群的坐標、ZigBee網絡節點編號、熱釋電傳感器感知數據和GPS數據，上位機對這些數據存儲后，并實現微小地面機器人群的坐標顯示及布撒情況，并能通過鼠標事件隨時查看坐標值及GPS［10］。

圖5　上位機軟件工作流程圖

對熱釋電傳感器采集回來的數據能通過調用Matlab生成的COM組件的方法來實現對目標的軌跡預推，并計算最佳圍捕位置，完成機器人群對目標的圍捕。該方法是指在Matlab環境下編寫粒子群優化算法，利用MATLAB COM Builder編譯器把該粒子群優化算法編譯成COM組件，這樣可以在其他計算中通過注冊該組件，從而在其他應用程序中調用該組件，脫離Matlab環境運行組件中的函數，監控系統將熱釋電傳感器采集回來的數據導入到調用的COM組件中的函數，實現對入侵目標的的軌跡預推，得出最佳圍捕位置。本文主要是在VB環境下調用該COM組件［11］。主要過程就是把在Matlab下編譯的COM組件利用kregsvr32的方法注冊到當前使用的計算機中，然后在VB環境中應用該動態鏈接庫，這樣就可以直接調用了［12］。VB環境下調用該COM組件的核心部分如下：

其中pp是指的函數的輸入參數，也就是傳感器采集的數據。監控系統控制界面還能實現對監控系統控制界面還能實現輸入一些控制參數。在控制界面選擇要發送的機器人編號，打包指令發送。

3.2ZigBee通信軟件設計

ZigBee通信模塊與上位機和下位機都是通過串口連接的，ZigBee的串口程序設計的目的是能夠對所定義的消息格式進行有效識別和處理，進行CRC校驗消息完整性；增加消息緩沖區，避免消息量過大出現丟包情況。程序設計流程圖如圖6所示。

3.3下位機軟件設計

下位機軟件系統的工作流程如圖7所示，主要是實現3個功能：ZigBee通信模塊的數據收發，接收上位機的命令并解析，根據指令類型判斷是上位機對機器人信息的獲取還是對上位機對微小地面機器人的的控制指令；對上位機發送過來控制指令能解析并通過微小地面機器人系統主控的CAN通信發送給微小地面機器人的移動控制系統驅動機器人運動；對采集系統采集的數據能通過串口接收并處理后發送給上位機。

4　試驗結果測試分析

實驗中使用了5個無線通信模塊、4套微小地面機器人系統（編號為4、6、7、15）、裝有監控系統上位機軟件的計算機和其它一些輔助工具。實驗過程：將4套微小地面機器人系統布撒成一個邊長為15 m的正方形，每個頂點處放置一個微小地面機器人，監控系統發送建立坐標系指令通過微小地面機器人的聲定位系統建立機器人全系統的相對坐標系，目標按照規定的路徑進入微小地面機器人系統的感知區域，監控系統利用微小地面機器人的感知系統感知的數據預推目標軌跡。如圖8是監控系統顯示微小地面機器人布撒和預推軌跡的結果，從圖中可以看出微小地面機器人的布撒和預推的軌跡情況，并通過鼠標事件可以查看其聲定位坐標和GPS值。

圖6　ZigBee串口程序設計流程圖

圖7　下位機工作流程圖

圖8　程序運行結果

如圖9所示為上位機通過調用Matlab寫的粒子群優化算法的COM組件對目標預推軌跡的實驗結果，從圖中可以看出其目標軌跡與實際試驗中規定的目標軌跡相吻合，滿足設計要求。通過對目標的軌跡預推，可以得出微小地面機器人群體圍捕目標的最佳位置，完成機器人群體對目標的圍捕任務。

圖9　軌跡預推實驗結果

5　結束語

本文基于圖形化編程軟件VB設計微小地面機器人群的監控系統，簡要說明了系統的基本原理、系統硬件和軟件的設計過程，并通過最后的實驗驗證了系統的可行性，結果表明系統不僅能實現對多個微小地面機器人的控制和狀態顯示，并能調用Matlab的COM組件，實現粒子群優化算法在上位機運行，預推入侵微小地面機器人監控區域的目標軌跡，得出圍捕目標的最佳位置。該監控系統不僅實現對微小地面機器人系統的智能化控制功能、多樣化顯示；自身還作為系統的網絡節點參與目標軌跡的預推，實現對目標的圍捕控制。此設計對多個微小地面機器人的監控有一定的借鑒意義。

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王淑平（1990-），男，漢族，江西吉安人，中北大學儀器與電子學院碩士，主要研究方向為測試計量技術，935924529@ qq.com；

楊衛（1957-），男，漢族，山西太原人，研高工，研究方向為微納米器件、儀器與測試技術、微系統及集成技術、網域化微武器系統，yangwei@nuc.edu.cn。

Design of Monitoring System for the Small ground Robot

WANG Shuping1，2*，YANG Wei1，2，HOU Shuang1，2
（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China）

In order to solve the problem of population control and state monitoring and display of the robot，a monitoring system for micro robot has been designed.The system is made up of the upper computer，the ZigBee communication module and the lower computer.Upper computer designs the monitoring interface using VB development platform，achieves serial communication using of the MSComm control.ZigBee chip selects the ZigBit900 of 784/ 868/915 MHz which is high integration，low power consumption，high sensitivity.The wireless network module connects to the upper computer and lower computer respectively through the serial port to realize the communication between the lower computer and the upper computer.The lower computer used the DSPIC33F single chip microcomputer as the main processor to complete the data transfer between the master control system and wireless network modules and other data acquisition module to realize of the monitoring system for monitoring and control the small ground robots group.Experiments showed that the monitoring system is stable，real-time and reliable.

small ground robots；ZigBee communication；MSComm control；COM Component；DSPIC33F SCM

TN993

A

1005-9490（2016）05-1155-06

2015-08-27修改日期：2015-12-24

EEACC:723010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.027