能力風暴智能機器人無線通信系統的研究

湖南科技學院實驗實訓中心 鐘麗菲

引言

當今時代，人類對機器人的研究越來越深入，其研究成果也越來越豐碩，其研究力度和研究層次都在不斷加大、不斷深入。人們期待智能機器人之間能夠彼此交流，互相協作，完成一些繁瑣復雜的工作任務，例如在某些火災場景中，為了保障救火員的人生安全，又要完成滅火的重任，就可以依靠機器人來完成滅火工作。但滅火需要統籌指揮，彼此溝通，滅火時機、滅火位置、滅火計劃都需要交流溝通，因此滅火機器人也必須彼此交流，互相協作，共同完成滅火的重任。

通信是不同機器人之間互相交流的基礎，通過通信，機器人才能了解其他機器人發送的指令，繼而完成相應的操作，在通信方式中，無線通信是最便捷、最高效、最理想的通信方式。

本文以力風暴智能機器人為實驗平臺，利用體積輕巧的單片機為通信工具，通過對接好單片機和機器人之間的接口，來實現機器人之間的無線通信。

1 能力風暴智能機器人平臺

本文的實驗內以能力風暴智能機器人為研究對象，能力風暴直徑為30cm，高13cm，能力風暴的頂端設置為半圓形，底端安裝一個具備圓形碰撞環的、能夠移動的機器人，機器人的微處理器選用單片機M68HC11,在微處理器中安置32 k 的靜態不揮發RAM,輔助以驅動、通訊、復位等外圍電路。

在進行試驗之前，要保障能力風暴智能機器人平臺具備以下功能；

（1）平臺底部的機器人能夠自主移動。它應該是一個適應能力強，具有具體規劃，靈活性強，能夠在繁瑣復雜場景內工作的智能機器人。

（2）傳感器的數量要盡可能地多，且傳感器的質量應該有所保障，其感知能力要強。傳感器的構造應該具備一個紅外接收模塊，此外還應該有兩支紅外發射管以及4 個碰撞傳感器。此外傳感器還必須配備旋轉角度編碼器以及麥克風。紅外傳感器的傳感能力為，可以感應正前方120°以內，距離紅外傳感器10～50cm 內的物體；紅外光傳感器應該能夠準確地判斷強弱光；碰撞傳感器應該安裝在碰撞環上，感受東西南北四個方向上以及東西南北四個方向45°夾角線上的碰撞；麥克風的功能是感知周圍聲音的強弱，其并無方向之分；旋轉編碼器可以精準地計量機器人轉輪的角度。

（3）能力風暴機器人之間都使用M68HC11 單片機，且必須使用交互式C 語言對單片機進行編程。交互式C 語言結構分為編譯環境以及機器人操作系統，交互式C 語言的優點是能夠同時進行多個編程，允許多個程序同時運行。機器人與計算機的連接方式是串口連接，在計算機內部編好的程序可以經由串口線輸送到機器人內部，從而發出相應的指令，操作機器人執行相關命令或者讓機器人主運行。

（4）機器人設計了硬件擴展總線ASBUS（abili2ty storm BUS）。設計硬件擴展總線的好處是便于機器人拓展外圍電路，為智能機器人之間的交流協作提供必要的基礎。硬件擴展總線有A，B 兩組，兩組加起來的信號線共計28 根。

在實際的實驗中，以下提及的信號線都是必須用到的、主要的信號線：VCC：5V 電源；GND：地；PC0～PC7：數據線：OS0～OS3：輸出選擇線0～3；IS0～IS3：輸入選擇線0～3；PA1～PA2：輸入捕捉口；PA3：輸出比較口。

2 機器人之間無線通信的硬件設計

2.1 無線通信模塊

顧及到機器人本來就具備的特性，以單片機為微處理器的無線通信是機器人之間最高效、最便捷、最理想的通信方式。在本實驗中的，單片機內的無線收發模塊為PTR2000。PTR2000 既能夠收信號，也可以發信號，它具備收發一體的功能。具體來說，PTR2000 還可以高頻率地發射信號和接收信號，能夠放大信號，合成信號，切換頻率等，該無線收發模塊主要有以下特性：

（1）集發射和接收為一體，體積小，約40 cm×27 cm×5 cm；

（2）工作頻率為國際通用的數傳頻段433MHz，采用FSK 調制/解調，可直接進行數據輸入/輸出，抗干擾能力強；

（3）工作電壓2.70～5.25 V，功耗小，接收待機狀態電流僅為8μA；

（4）工作速率最高可達20 kbit/s，也可在較低速率，如4800，9 600 bit/s 下工作，無需設置模塊通信速率；

（5）使用時不需要許可認證，在地形開闊的環境下，其使用距離能夠接近1 千米。PTR2000 一共7 個引腳，每個引腳具備的功能都不盡相同，具體如下；

VCC（1 腳）：正電源輸入端，接2.70～5.25V；

CS（2 腳）：頻道選擇端，CS=0 時，選擇工作頻道1，即，433.92 MHz；CS=1 時，選擇工作頻道2，即，434.33MHz；DO（3 腳）：數據輸出端；

DI（4 腳）：數據輸入端；

GND（5 腳）：電源地；

PWR（6 腳）：節能控制端，PWR=1 時，模塊處于正常工作狀態；PWR=0 時，模塊處于待機微功耗狀態；

TXEN（7 腳）：發射/接收控制端，TXEN=1 時，模塊被設置為發射狀態；TXEN=0 時，模塊被設置為接收狀態[2]。

2.2 總體設計框圖

考慮到機器人本身的特點以及無線收發模塊的特點，設計了能力風暴智能機器人之間的無線通信框架圖。

圖1 機器人無線通信總體框圖

2.3 無線收發模塊與機器人之間的接口電路設計

在實驗中，所有的機器人都必須具備發送無線數據和接收無線數據的功能，因此每個機器人身上都必須安裝無線收發模塊。又因為能力風暴機器人上的串口另有其他的作用，無法安裝無線收發模塊，因此就有必要在機器人和無線收發模塊的中間區域安裝一個型號為2051 的單片機。此單片機的作用是，連接機器人和無線收發模塊，向機器人反饋接收或者發送的信號。在具體的連接過程中，無線收發模塊的數據輸出端應該和單片機的串行接收端對應連接，而單片機的串行發送端應該和無線收發模塊的數據輸入端相連。單片機和和機器人的具體連接方法為，能力風暴機器人的數據口（PC0～PC7）應該和單片機的P1口對應連接，此外，機器人擴展總線上的輸入捕捉口應該和單片機的P3.4 相接，而機器人擴展總線上的輸出捕捉口應該與單片機上的P3.2 相接。

圖2 接口電路原理框圖

3 機器人之間無線通信軟件實現分別

機器人之間的信號接收和信號發送需要通過軟件編程才能實現，無線收發模塊的雙向通信也需要通過編程才能實現[10]。其原理為單片機將串行讀取的數據放入單片機內部的寄存器中，當完成此環節時，接收數據的第1 位是起始位0，第2～9 位是數據位，在發送數據時，會遵循先發送低位，后發送高位的規則，第10 位是停止位1，接下去的12 位都為1，即為發送數據的時間間隔5.5ms(11×500μs=5 500μs)，最后一位是新一幀數據的起始位。

4 實驗結果分析

在兩個能力風暴智能機器人的身上裝上單片機微處理器，裝上無線收發模塊，兩個機器人分別記作機器人1 和機器人2，機器人1 與機器人2 之間的間隔距離為120m，中間沒有高大的障礙物，地勢平坦。機器人1 負責發送數據，機器人2 負責接收機器人1 發送的數據。舉例來說，如果機器人1 發送信號40H，41H，42H，43H，這些信號分別代表前進，后退，左轉以及右轉，當機器人2 接收到機器人發送的這些信號時，就應該執行相應的指令，前進或者轉動。機器人1 發送的數據以及機器人2 執行的指令整理成了下表1。

表1 數據傳輸測試結果

分析上表能夠知道，在120m 以內的有效范圍內，本文設計的無線通信方法能夠讓能力風暴智能機器人高效交流，機器人之間的信號發射和信號接收都是快速且高效的。

5 結語

本文根據所提出機器人與機器人之間的無線通信原理，設計了機器人之間無線通信的硬件模塊，編寫了無線通信的軟件實現。通過實驗測試表明，在有效的距離范圍內，多個機器人之間能夠快速地發射和接收信號。該無線通信實驗，沒有通過計算機實現數據交換，而是直接通過無線通信實現機器人之間的直接數據傳輸，讓機器人之間具備了直接交流的功能。多機器人系統研究作為一個熱點研究方向，本文的實現方法具有重要的參考價值。