一種基于ZigBee無線通信水下自重構機器人

耿圖 李相龍 張繼宇

摘 要 本文以STM32W108——ZigBee無線通信控制器為核心，從水下自重構機器人的個體連接方式、水下運動方式、水下近距離定位和自組網(wǎng)與群體智慧等方面對水下自重構機器人系統(tǒng)進行研究與設計。設計了機器人的連接機構。不同個體之間以機械連接為主，配合微型接近開關和ZigBee的信號強度檢測技術實現(xiàn)個體之間的穩(wěn)定簡潔連接。研究了機器人的運動方式，確定了個體機器人運動所需的最小自由度的數(shù)量為二個，并根據(jù)所要完成的運動方式將兩個自由度的分布位置設計成兩個關節(jié)組合的方式。通過利用ZigBee的自組網(wǎng)技術設計了一種簡單的群體智慧運算程序，并在多個機器人組合成一個整體時，通過多種群體運動方式檢驗了該技術。

【關鍵詞】水下自重構機器人 STM32W108 ZigBee技術

隨著互聯(lián)網(wǎng)與高科技的不斷發(fā)展，人們希望節(jié)省時間，越來越多的事情由機器完成。單臺機器人只適用于一些任務簡單、環(huán)境相對固定的場合。然而，對于一些不可預知的作業(yè)任務，就無法選擇機器人的最佳結(jié)構，需要由許多具有不同運動學和動力學特性的機器人來完成，這種做法往往耗資巨大，甚至于不可行。重構機器人的研究正是針對此類應用背景開始的，其主要思想是，利用模塊之間的連接性和互換性，以及模塊自身傳感器感知到的周圍環(huán)境信息，通過大量模塊之間的相互操作改變整體構形，擴展移動形式，實現(xiàn)不同的運動步態(tài)，完成相應的操作任務。這種機器人可以應用在任務復雜的場合，如空間操作、救災搜索、戰(zhàn)場偵察、核電站維護等。

如何解決當前水下機器人所面臨的問題使得水下自重構機器人系統(tǒng)具有極高的研究價值及應用意義。2001年，上海交通大學水下工程研究所葛彤教授提出UMSR機器人的概念，并開發(fā)了UMSR機器人試驗樣機USS （Underwater Self-reconfigurable System）。目前試驗樣機接連開發(fā)了兩代，第一代USS機器人屬于鏈式模塊化自重構機器人。第二代USS機器人則增加了一個根模塊，跟模塊有多個被動連接面，可以構成章魚和四足構型。模塊還可以實現(xiàn)正交對接，實現(xiàn)構型的3D變換。UMSR機器人涉及到水下密封、水下光電引導、水中姿態(tài)調(diào)整以及水下機械、電氣拼接。盡管一些研究機構在該領域內(nèi)已經(jīng)取得了一些成就，但是水下機器人自重構過程中的通信與定位實現(xiàn)難度依舊較大。Zigbee主要用于短距離無線控制系統(tǒng)，傳輸?shù)纳倭康目刂菩畔ⅰ＞哂械统杀尽⒌蛷碗s度、靈活的組網(wǎng)特性，多種拓撲結(jié)構、可以建立大型無線傳感器網(wǎng)絡，低功耗特別適用于電池供電的系統(tǒng)中。根據(jù)水下自重構機器人系統(tǒng)的機構、性能、工作條件等方面的要求，本系統(tǒng)選用了Zigbee無線通信技術。因此用ZigBee技術建立小范圍通信網(wǎng)絡系統(tǒng)彌補這些問題是很有必要的。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構

本文采用具有高可靠度、低復雜度、低成本、低功耗、高容納性的ZigBee無線網(wǎng)絡來設計水下自重構機器人系統(tǒng)。單個系統(tǒng)主要有連接機構、運動機構、電路與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位傳感器五個部分組成，整個機器人系統(tǒng)是多個機器人組成的集群智能整體， 系統(tǒng)組成結(jié)構如圖1所示。

2 總體方案設計

基于Zigbee通信的水下自重構機器人系統(tǒng)包括連接機構、運動機構、無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡三個部分組成。本系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2包括三個部分：連接與定位系統(tǒng)、STM32W108核心控制系統(tǒng)、運動機構。

2.1 連接與定位系統(tǒng)

連接機構是水下自重構機器人系統(tǒng)的重要組成部分之一，所以要謹慎設計器連接機構及相應的傳動設備。本文采用的是旋轉(zhuǎn)自鎖機構作為連接機構的基本形態(tài)。該機構將運動部分簡化為一個轉(zhuǎn)動副，該轉(zhuǎn)動副的移動距離應盡可能地小以方便傳動機構的安裝，并將零件簡化到3個以內(nèi)，以方便利用實驗室的3D打印機等工具制作。為滿足3D打印機的精度要求，每個零件的設計都應該以1mm為最小單位。強度應至少能偶承受2個機器人個體的自重拉力。同時配合以電感性接近開關為連接時的是否連接到位的指示傳感器。連接機構大致設計方案如圖3所示。

2.2 STM32W108核心控制系統(tǒng)

本文使用業(yè)界領先的STM32W108CBU64無線模塊。32位的內(nèi)核處理速度更快，尋址空間更大，內(nèi)部集成通信模塊，信號更加穩(wěn)定，同時滿足低能耗特性。STM32W108無線模塊支持IEEE802.15.4 Zigbee協(xié)議，集成EmberZNet協(xié)議棧。48引腳封裝，外圍提供27個GPIO供用戶分配使用。增強型模塊通信距離更遠，適合長距離通信。其電路選擇的合理與否直接影響到無線網(wǎng)絡的安全性、可靠性、穩(wěn)定性、魯棒性等性能。所以要謹慎設計無線射頻模塊。

2.3 運動機構

單個水下自重構機器人的運動機構是整個機器人系統(tǒng)群體運動的基礎，其運動形態(tài)和形態(tài)直接決定了機器人系統(tǒng)的組合外形拓撲結(jié)構。因此，單個機器人的運動機構本身的運動方式不應該太復雜自由度因為一到兩個。為了支撐起整個機器人系統(tǒng)的群體運動，該運動機構應具備足夠的動力和活動空間。

本文所選擇運動機構應當具有較大的扭矩，動力元件在兩個以內(nèi)，具有較好的防水性能。滿足該需求的動力元件為兩個配有金屬齒輪減速器的DS939HV防水舵機，該種舵機正常工作在6V到7.4V的電壓下，工作電流200～250mA，最大扭矩可達到2.8kg·cm，工作速度最大0.12sec·60度，體積較小可有有效的滿足工作需求。這兩個舵機將以平面鏡像的方式被布置在水下自重構機器人的中心位置以實現(xiàn)一個自由度上的全周運動。

3 機械結(jié)構設計

為了保證當個機器人之間的通信與鏈接成功和整體運動的穩(wěn)定性，機械機構的設計是之后進行ZigBee研究的基礎，因此本文依次給出了連接機構和運動機構的設計和依據(jù)。

3.1 連接面與連接機構的設計

應用插入式螺旋自鎖結(jié)構將機器人之間進行連接。一個機器人個體有兩個連接機構組成，每個連接機構與機器人主題用舵機相連接。每個連接機構有3個連接面，每個連接面的設計基本相同。一個連接面外部有卡榫、接近開關安裝孔位、卡榫插入孔位組成。在執(zhí)行連接動作時，卡榫會先插入到連接孔位之中，當接近開關檢測到兩個連接面重合時，步進電機會驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機構轉(zhuǎn)動，將卡榫鎖死防止連接面脫開。結(jié)構分布如圖4所示。

3.2 運動機構

本文所設計的水下自重構機器人運動機構由兩個舵機組成，尤其構成整個群體運動基礎單元。其中防水舵機采用DS939HV型號舵機，反應速度快、扭矩大、體積小，單個舵機完全具有舉起整個機器人個體的能力。因此單個機器人的運動機構的設計為兩個舵機布置在同一平面，帶動兩個連接機構的方式，具體如圖5所示。兩個舵機被對稱布置在中部控制艙得兩側(cè)，共同組成兩個轉(zhuǎn)動副，有兩個在同一平面的軸，轉(zhuǎn)動軸1和轉(zhuǎn)動軸2。其中每個舵機自身有180度的運動行程。

3.3 整體設計

單個機器人機械機構包括連接機構和運動機構兩大部分組成，詳細設計內(nèi)容已經(jīng)在前面兩節(jié)描述過，而且都已經(jīng)給出了詳細的運動仿真分析，在這種情況下，我們可以確定一種可靠的、最佳的機器人設計方案，其三視圖如圖6所示。該機器人個體具有兩個自由度的活動能力，每個自由度由一個轉(zhuǎn)動副相連接，其主體部分展開后的最大尺寸為80mm*80mm*160mm，連接方式簡單可靠穩(wěn)定。

4 水下通信與ZigBee自組網(wǎng)的研究

4.1 Zigbee體系結(jié)構

為了實現(xiàn)ZigBee協(xié)議，本文使用的是Ember公司的EmberZNet協(xié)議，其使用分層的思想實現(xiàn)，它對應著Zigbee協(xié)議的五層結(jié)構，分別為MAC層、網(wǎng)絡層、保密層、APS層、應用層，除應用層外其他各層均已被封裝到了芯片的內(nèi)部，使用其應用層來進行開發(fā)。

水下自重構機器人自組網(wǎng)絡系統(tǒng)中有協(xié)調(diào)器和路由器兩種設備。其中協(xié)調(diào)器即中央數(shù)據(jù)采集節(jié)點，它負責建立網(wǎng)路，維護網(wǎng)絡，選擇網(wǎng)絡通信信道，給它的子節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，接收檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機，在整個機器人系統(tǒng)中只有一個協(xié)調(diào)器，該協(xié)調(diào)器不安裝在機器人內(nèi)部，與上位機通過串口連接。路由器（即中間轉(zhuǎn)發(fā)機），它加入網(wǎng)絡之后維護網(wǎng)絡，把它的子節(jié)點暨其他路由器通過它加入網(wǎng)絡并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，它也是每個機器人的控制核心。兩種設備的程序是不一樣的，在圖7中展示了一個典型的EmberZNet應用程序的主循環(huán)，程序流程圖詳見圖7。

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的實現(xiàn)

當協(xié)調(diào)器上電后對硬件初始化，建立無線網(wǎng)絡，其處理過程有以下幾個階段：

（1）協(xié)調(diào)器通過選擇信道和一個唯一的兩字節(jié)PIN-ID，來啟動網(wǎng)絡（圖8（a））。豈會通過掃描和搜索的方式來選擇一個干擾少的信道，如果搜索到其他協(xié)調(diào)器所使用的網(wǎng)絡，則應用程序會盡量避免使用一個沖突網(wǎng)絡，當沖突不可避免時，通常第二個協(xié)調(diào)器會以由器的身份加入第一個協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡里。

（2）其他路由器節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡（圖8（b））。

（3）其他路由器之間組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡（圖8（c））。

（4）組建網(wǎng)絡之中節(jié)點間的父子關系（圖8（d））。

一旦新的網(wǎng)絡被建立起來，就有必要通知棧允許其他節(jié)點加入到這個網(wǎng)絡中。

4.3 路由器節(jié)點的實現(xiàn)

路由器節(jié)點上電后對系統(tǒng)進行初始化，然后檢測協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡并自動加入該網(wǎng)絡。為了加入網(wǎng)絡節(jié)點必須遵循的處理過程如下，如圖9所示。

（1）新的路由器節(jié)點掃描信道來發(fā)現(xiàn)所有本地的路由器和協(xié)調(diào)器，這些節(jié)點是加入網(wǎng)絡的候選者。

（2）正在掃描的設備選擇一個父節(jié)點設備，并提交一個加入申請。

（3）如果接受的話，新的設備接受到一個確認信息，確認信息中應當包含協(xié)調(diào)器分配給該節(jié)點的網(wǎng)絡地址。

路由器節(jié)點所接收到的協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)主要為指令數(shù)據(jù)，其接收到的數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

每個機器人個體通過接收來自協(xié)調(diào)器的指令，共同完成相應的任務，比如機器人的連接、脫離和運動等。

5 仿真與實驗

一群由ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)組成的機器人系統(tǒng)，就是一個強大的移動傳感器網(wǎng)絡，通過每個個體收集到的大量外界數(shù)據(jù)，如果遇上意外就能夠及時調(diào)整做出反應，即使這些機器人個體自身的自動化程度并不高，但是如果一個成員出現(xiàn)了故障，另外一個就可以依靠ZIgBee自組網(wǎng)的方式接替其位置。此外，網(wǎng)狀網(wǎng)絡中路由器的個數(shù)和組網(wǎng)方式都不受限制，其可以做到控制無中心，不依賴于某個“領導者”。

多個機器人的群體智能是利用群體優(yōu)勢，在沒有集中控制，不提供全局模型的前提下，為尋找復雜問題的解決方案提供了新思路。以往單個復雜的機器人系統(tǒng)的任務可以由多個簡單機器人個體組成的群體合作完成，而后者往往更具有魯棒性、靈活性和成本優(yōu)勢。

群體運動實驗是在實驗室的資源條件下進行的，將兩個機器人置于水中，進行了兩種整體運動，然后在陸地上執(zhí)行了一種運動，第一個運動實驗是測試兩個機器人在水下的連接與脫離動作的可靠性，實驗效果如圖10所示。

由圖10可知，兩個機器人可在水中進行連接和脫離。

由圖11可知，兩個機器人在陸地上可執(zhí)行站立向前運動等動作。

本文介紹了自重構機器人的發(fā)展情況和無線通信網(wǎng)絡，利用經(jīng)過驗證的機械連接結(jié)構和高性能的ZigBee技術，開展了一種新型的水下自重構機器人的相關研究。首先，歲機器人的連接方式、運動方式進行設計，選擇步進電機和舵機以確定機器人的結(jié)構；其次以實現(xiàn)機器人的水下自重構為目的，選擇了ZigBee無線網(wǎng)絡，設計了機器人的通信組網(wǎng)系統(tǒng)方案；最后設計編寫了機器人系統(tǒng)整體運動和自重構的程序，利用機器人樣機進行了相關實驗。由實驗可知本文設計的基于ZigBee通信的水下自重構機器人系統(tǒng)可實現(xiàn)實驗中設計的水下連接、脫離、蛙泳前進、地面行走等動作，實際的驗證了該機器人的合理性與可用性，以證明本系統(tǒng)符合設計要求。

參考文獻

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作者簡介

耿圖（1989-），山東省平度市人。大學本科學歷。現(xiàn)為91428部隊助理工程師。主要研究方向為信息與通信技術。

李相龍（2002-），遼寧省葫蘆島市人。現(xiàn)就讀于衡水一中。

張繼宇（1989-），吉林省大安市人。哈爾濱工程大學自動化學院碩士研究生。主要研究方向為模式識別與智能系統(tǒng)。

作者單位

1.91428部隊 浙江省寧波市 315000

2.衡水一中 河北省衡水市 053000

3.哈爾濱工程大學自動化學院 黑龍江省哈爾濱市 150001