空間站移動機器人無線控制系統設計

于 惠, 王曉飛, 盧 凱

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100192)

空間站移動機器人無線控制系統設計

于 惠, 王曉飛, 盧 凱

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100192)

針對空間站移動機器人的工作特點、環境以及增強移動機器人應對突發問題的能力，設計了一種移動機器人無線控制系統。該系統主要包括PC上位機、無線收發模塊、下位單片機、雙目立體攝像機、超聲測距傳感器、電機驅動器。該控制系統基于上下位機的集成模式，下位機負責Bumblebee2雙目立體攝像機和超聲測距傳感器信息采集、指令接收、功能執行等;上位機負責數據顯示與存儲、指令發送等。上下位機之間采用串口通信方式，利用無線收發模塊可以方便地實現PC機與移動機器人之間的通信，從而實現對移動機器人的實時無線控制。

移動機器人； 雙目立體攝像機； 無線控制； 串口通信

0 引 言

移動機器人在各行業及研究領域有著廣泛的應用前景，是替代人在危險、惡劣環境下作業必不可少的工具，可以輔助完成人類無法完成的作業[1]。本文研究的是應用于空間站的移動機器人，目的是減少宇航員的工作量，從而降低成本。而在空間站這一特殊環境中，移動機器人處理突發事件的能力就顯得尤為不足，所以移動機器人控制系統的設計就成為研究的關鍵[2]。考慮到開發經濟性、復雜度等問題，本文控制系統采用上下位機的集成模式。下位機負責信息采集、接收指令、功能執行等；上位機負責數據顯示與存儲、指令發送等。上下位機之間采用串口通信方式，從而實現對移動機器人的實時無線控制[3]。

1 移動機器人控制系統總體設計

移動機器人控制系統總體框圖如圖1所示。系統主要由PC上位機、無線收發模塊、下位單片機、雙目立體攝像機、超聲測距傳感器、電機驅動器等組成。

圖1 移動機器人控制系統總體框圖

系統采用Navigator Q2機器人為控制平臺，以STM32F407單片機為控制器。首先STM32F407單片機接收Bumblebee雙目立體攝像機和超聲測距傳感器采集的信息并進行處理。信息經無線收發模塊發送到上位機，使上位機能夠了解移動機器人的現場信息。上位機根據移動機器人的現場信息編排任務，通過上位機的人機交互界面和手勢發送控制指令，進而控制移動機器人的運動。通過無線收發模塊將任務發送給移動機器人控制器，由控制器讀取并解析收到的指令，同時通過串口把收到的控制指令發送給電機驅動器，進而對電機進行控制，使移動機器人完成指定的動作。手勢發送控制指令是由位于移動機器人上的攝像機讀取手勢并發送到單片機，單片機處理并識別手勢后，把指令信息發送給電機驅動器，進而控制移動機器人的運動[4]。

2 硬件系統設計

移動機器人硬件主要包括移動機器人平臺、傳感器、無線收發模塊等。移動機器人控制系統實物圖如圖2所示。

2.1 傳感器

2.1.1 雙目立體攝像機

移動機器人采用Bumblebee2雙目立體攝像機，可以實時獲取場景的深度信息和三維模型。Bumblebee2有2倍于Bumblebee的幀率，擁有高質量的CCD傳感器和高速1394接口。Bumblebee2雙目立體攝像機具有結構精密、體積小、質量輕、功耗小等特點，并且在靈敏度、分辨率和實時傳輸等方面具有良好的特性。在目標跟蹤、移動機器人導航等領域有著廣泛的應用[5]。Bumblebee2雙目立體攝像機經過IEEE1394線傳到單片機上，進行相應的視覺算法處理。

圖2 移動機器人控制系統實物圖

2.1.2 超聲測距傳感器

超聲波測距傳感器的作用主要是避免機器人遇到障礙物時用戶來不及控制而導致機器人碰壁，防止硬件遭到碰撞受損，延遲機器人的使用壽命[6]。移動機器人采用ULB-16超聲測距傳感器，數字量輸出，并能通過CAN總線、RS-232任意配置，對整個模組進行編程控制與數據讀取。超聲測距傳感器將16路超聲探測器集成在一起，統一協調管理，對0.25～3.00 m內的物體進行精確測距。該模組能大大簡化上層設備對多傳感器的協調管理，便于系統集成并提高系統穩定性。16路測距傳感器防護等級達到IP65，能夠適應室外的應用場合。超聲測距傳感器通過CAN總線與STM32F407相連，并將數據信息傳送到單片機。

2.2 下位單片機控制器

下位機控制器由STM32F407單片機構成，是移動機器人的大腦，綜合處理各方面的信息并做出即時的響應，實現對移動機器人的實時控制。該模塊主要負責完成傳感器的信息采集、電機控制以及與PC機的通信。STM32F407單片機工作頻率可達168 MHz，完全能夠滿足系統的實時性要求。采用Cortex-M4F內核,該內核具有高性能、低功耗和實時性強的優點。它還實現了一套完整的DSP指令和內存保護單元，從而提高應用程序安全性的同時也滿足了系統成本的低功耗[7]。

移動機器人的運動控制器是其動作執行部分，具體完成機器人的動作，如前進、后退、轉彎等。移動機器人采用四輪結構，采用2個驅動輪以實現機器人的直線、轉向和旋轉等運動。移動機器人運動過程中，需要對2驅動輪的運動方式進行安排，通過對驅動電機的控制完成移動機器人的速度和轉向控制。移動機器人所使用的電機為直流電機。

選用雙極性PWM驅動芯片L298N，它是一種能夠承受高壓大電流的全橋型直/步進電機驅動器，具備兩通道電機驅動，可以同時驅動2個直流電機，OUT1、OUT2與OUT3、OUT4分別接2個電動機。其中5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的運行。接口芯片輸出兩組PWM波，每組PWM波控制一個電機的速度。I/O口可以控制電機的正反轉，P10、P11控制第1個電機的方向、PWM1控制第1個電機的速度；P12、P13控制第2個電機的方向、PWM2控制第2個電機的速度。電機驅動原理圖如圖3所示。通過驅動芯片L298N可實現移動機器人的加速、減速、停止，同時通過兩個電機不同的轉速實現左轉和右轉等功能[8-9]。L298N驅動電機邏輯表如表1所示。

圖3 電機驅動電路連接圖

表1 L298N邏輯功能表

2.3 無線收發

移動機器人的控制命令及傳感器數據的傳輸對實時性、可靠性和故障率具有較高的要求。因此，無線收發模塊采用PTR2000超小型無線收發數傳Modem，該Modem體積小且接收發射合一，方便移動移動機器人攜帶。其工作頻率為國際通用的數傳頻段433 MHz，采用FSK調制，低發射功率、高接收靈敏度。該模塊通信速率最高為20 kb/s，也可以在較低速率下工作，無須設置模塊通信速率。發射數據前將模塊置于發送模式，可以發送任意長度的數據。發射結束后將模塊置于接收模式，可以接收任意長度的數據。

STM32F407單片機主要功能是對傳感器采集的信息進行分析和處理，將處理后的信息經PTR2000無線收發模塊發送到PC上位機。PC上位機根據接收到的信息分析移動機器人所處的環境，通過無線收發模塊向移動機器人發送控制指令。與STM32F407單片機相連的 PTR2000無線收發模塊首先將STM32F407單片機的待傳數據調制成射頻信號，之后發送到PC機端的PTR2000無線收發模塊，同時接收PC上位機機端的PTR2000無線收發模塊傳送的射頻信號，并將其調制成單片機可識別的TTL信號，之后送至單片機[10]。決定 PTR2000無線收發模塊工作模式主要有TXEN、CS、PWR3個引腳，這3個引腳分別與STM32F407單片機I/O控制口的P2.0～P2.2相連。PTR2000無線收發模塊工作時，由STM32F407單片機實時控制其工作模式。PTR2000與STM32F407單片機連接電路如圖4所示。

圖4 PTR2000與STM32F407單片機連接電路圖

計算機串口與PTR2000無線收發模塊連接首先需要進行電平轉換，由于PTR2000無線收發模塊支持的是TTL電平，故選擇MAX232對兩者間的電平進行轉換。 當PWR接高電平VCC時，PTR2000無線收發模塊固定在正常工作狀態；當頻道選擇引腳CS接GND低電平時，采用的是固定通信頻道1，工作頻道為433.92 MHz；PC上位機串口RTS信號控制PTR2000的TXEN引腳，用來決定PTR2000的接收與發射狀態；計算機串口的RXD和TXD需經電平轉換，之后分別與PTR2000無線收發模塊的DO和DI引腳相連[11-12]。PTR2000無線收發模塊與計算機串口連接電路如圖5所示。

圖5 PTR2000與計算機連接電路圖

3 軟件系統設計

3.1 通信協議

移動機器人與上位機之間的通信需要較高的可靠性以及較低誤碼率，因此需要為無線收發模塊設計切實可行的通信協議[13]。在本設計中,PC上位機與移動機器人之間的通信采用的是統一的數據包格式。

一個完整的數據包由開始字符、設備類型符、設備地址碼、功能碼、數據長度、數據區、CRC校驗及結束字符組成，如表2所示。

表2 控制指令數據包格式

表2中，第1 bit是一個數據包的開始，為固定值0xAA；第2 bit是設備類型，設為0xFF；第3 bit是設備在系統中的地址；CRC校驗，2 bit，從開始字符到數據區最后1 bit的所有字符的16 byte CRC校驗值。結束字符，表示數據包結束，固定為0x0D。

3.2 控制系統軟件設計

移動機器人將采集到的現場信息通過無線收發模塊發送到PC機，PC機根據移動機器人的現場信息編排任務，通過無線收發模塊發送控制命令，移動機器人接收到指令后對電機驅動器進行控制。控制系統程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統控制軟件流程圖

系統控制的大體流程步驟：

(1) 移動機器人上的單片機初始化之后一邊等待上位機的控制命令;一邊采集Bumblebee雙目立體攝像機和超聲測距傳感器信息并對信息進行分析、處理。

(2) 單片機將處理后的傳感器信息通過PTR2000無線模塊傳送到上位機，上位機根據這些信息編排移動機器人的任務，通過人機交互界面輸入控制命令(如前進、后退、轉彎、順時針旋轉、逆時針旋轉等)，通過PTR2000無線模塊將控制指令發送到移動機器人上的STM32F407單片機。

(3) 移動機器人上的STM32F407單片機通過無線模塊PTR2000接收控制指令后進行解析，并將控制指令發送給電機驅動控制器，從而實現移動機器人按控制指令運行。

3.3 人機界面設計

上位PC機控制程序是基于VC++環境開發的，實現的功能主要有：顯示輸入的命令、與移動機器人通信、控制移動機器人的運動。人機界面如圖7所示。

圖7 人機界面

因為串口通信具有協議簡單、對設備要求不高等優點，所以選擇RS232串口通信方式。VC++是一種面向對象的可視化開發工具，提供了良好的設計資源。目前Win32中基于VC++的常用串口通信方式有[14]：① 利用MSComm控件；② 利用Windows API函數實現。本文要實現的是利用串口通信的方式對移動機器人進行控制，采用Active X控件即可滿足設計需求。

MSComm通信控件是最常用的Active X串口控件之一，它提供了一系列標準通信協議的接口，允許建立串口連接，可以連接到其他通信設備，能發送、接收命令，而且還可以在VC++等語言中使用[15]。本文選用的MSComm控件采用事件驅動機制，事件發生時將產生通知，MSComm通信控件提供的OnComm事件可以捕獲并處理這些事件[16]。圖8所示為無線通信程序設計流圖。

圖8 無線通信程序設計流程圖

4 移動機器人控制系統測試

完成移動機器人硬件和軟件的設計后，需要運行自己設計的軟件對移動機器人進行測試。通信之前要選擇串口和波特率，然后打開串口程序會提示串口打開成功。在發送區內的編輯框輸入要發送的控制指令，然后點擊“手動發送”按鈕發送指令，也可以選擇自動發送方式，按固定的周期發送指令，此時移動機器人會根據發送的指令做出相應的運動。

對移動機器人做如下測試:① 測試1。移動機器人設定向前、后、左、右直線運動，分別進行了5次測試，移動機器人均能按照指令正確前進。② 測試2。移動機器人原地順時針、逆時針運動，分別運行5次進行測試，移動機器人均能按指令正確運動。③ 測試3。移動機器人分別設計自動發送與手動發送控制指令功能，選擇自動發送時移動機器人需要每次點擊發送指令才能運動，當選擇自動發送時，移動機器人能一直按指令正確運行。試驗結果表明，移動機器人對PC機的無線控制命令能夠作出實時、正確的響應。

5 結 語

本文研究的是應用于空間站環境的移動機器人，采用Bumblebee雙目立體攝像機和超聲測距傳感器，基于STM32F407單片機與PC機相結合的無線控制系統，利用PC上位機實現了對移動機器人的實時無線控制，使得移動機器人擺脫了對上位機在地域上的依賴。移動機器人在工作中，控制人員可以遠程觀察移動機器人的運行環境，并對突發事件進行實時控制與處理，提高移動機器人的靈活性。

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Design of Wireless Control System for Mobile Robot in Space Station

YUHui,WANGXiaofei,LUKai

(School of Instrument Science and Opto Electronic Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

According to the working characteristics, the environment and the ability of the space station mobile robot in dealing with unexpected problems, a wireless control system for robot is designed. The hardware structure and principle of the system have been described in detail. The system mainly consists of PC host computer, wireless transceiver module, MCU, binocular stereo camera, ultrasonic distance sensor and motor driver. The control system is based on the integration model of upper and lower machines. The lower computer is responsible for the information collection from Bumblebee2 binocular stereo camera and the ultrasonic ranging sensor, the instruction receiving, function implementation, and so on. The upper computer is responsible for data display and storage and command transmission and so on. Serial communication mode is applied between the upper and lower machines. The communication between the PC and the mobile robot can be realized conveniently by using the wireless communication module so as to realize the real-time wireless control of the mobile robot.

mobile robot; binocular stereo camera; wireless control; serial communication

2016-05-26

北京信息科技大學傳感技術課程建設項目資助(2016KGYB12)

于 惠(1988-)，女，山東濟南人，碩士生，主要研究方向為電子檢測技術。Tel.：15600648226； E-mail：yuhui_tt@163.com

王曉飛(1965-)，女，遼寧鞍山人，教授，主要從事電子測量技術的研究及教學工作。

Tel.：13661211927； E-mail：wangxiaofei@bistu.edu.cn

TP 273

A

1006-7167(2017)02-0071-05