賈永興，朱瑩，楊宇

　　（解放軍理工大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

　　摘要：設計并實現了一套功能高度集成的無線遙控機器人平臺，由履帶排爆機器人和手持控制終端組成。機器人自身搭載的傳感器可以對環境狀態進行偵測，并發送給手持終端。手持終端則遠程控制機器人的動作，實現危險爆炸物的排除和危險有害環境的監測，防止人員遭受傷害。該平臺實現方案具有成本低、體積小、功耗低、可移植性和擴展性強等特點。

　　關鍵詞：履帶式機器人；手持終端；遠程控制；危險環境

0引言

　　近年來，各種恐怖活動日益猖獗，為了維護社會穩定，研究開發反恐防爆技術和裝備的需求越來越大。在軍事上，危險環境時刻存在，如何保證人員的安全，有效地保證戰斗力，也是亟需解決的問題。隨著智能控制技術和傳感器技術［1］的不斷更新發展，用機器來代替人在危險環境下工作成為研究熱點［23］，得到國內外的廣泛重視。本文設計和制作完成了一款履帶式機器人和與之配套的手持控制終端，手持終端根據機器人回傳的視頻和傳感器信息，通過遠程控制，驅動機器人完成環境信息的偵測和危險爆炸物排除。

1系統框架

　　系統包括履帶排爆機器人和手持控制終端兩大部分，總體設計框圖如圖1所示。履帶機器人由視頻采集傳輸模塊、機械模塊、環境信息感知模塊、無線通信模塊以及控制模塊構成。首先控制模塊通過無線通信模塊獲取手持設備發送的控制命令，當命令是讀取命令時，通過傳感器讀取各類環境參數信息，然后通過無線通信模塊將各類環境參數信息發給控制終端顯示。當控制命令是動作命令時，則根據接收的參數控制機器人運動或機械臂抓取爆炸物。考慮到帶寬原因和控制方面的需求，圖像傳輸模塊與行動控制使用不同的無線信道。視頻采集傳輸模塊采集到圖像后直接交給無線路由器，傳送給手持設備，其過程不受主處理器控制。

　　手控控制終端由控制模塊、搖桿數據采集模塊、顯示模塊及無線通信模塊構成。手控終端首先檢查是否有搖桿狀態改變，若有就將相應控制信息進行編碼，并交由無線通信模塊發送給機器人執行。同時終端還會按照固定頻率向機器人發送環境信息讀取命令，并顯示回傳的視頻信息和傳感器信息。

2硬件設計

　　2.1手持控制終端

　　手持終端主控核心芯片為STM32F103zet6，它基于CortexM3架構，主頻為72 MHz，有豐富的外設資源［4］。設計中主要使用了其A/D接口、GPIO接口、串口、SPI接口。其中A/D接口和GPIO接口與搖桿模塊相連，采集搖桿狀態信息；串口與無線模塊相連，發送命令給無線模塊，并讀取無線模塊接收的傳感器數據；SPI接口與液晶模塊相連，以顯示傳感器數據。

　　搖桿模塊主要完成對機器人機械動作的控制，包括前進、后退等底盤運動和機器臂、云臺等舵機運動。搖桿模塊具有兩路模擬輸出。一路按鈕數字輸出。當搖桿上下左右搖動時，兩路模擬信號可以輸出不同的電壓值，主控板根據通過采集電壓值判讀搖桿的運動情況，以控制機器人動作。一路數字輸出主要用來判斷搖桿是否按下（類似按鍵）。實現中采用了四個搖桿模塊，以控制機器人底盤、機械臂和攝像頭云臺的動作。搖桿的模擬輸出與主控板CPU的A/D接口相連，數字輸出和CPU的GPIO口相連，以采集搖桿狀態信息。

　　無線通信模塊主要完成手持終端和機器人之間的數據傳輸，包括手持設備控制命令的發送和接收機器人返回的傳感器信息。實現中采用HC11 無線串口模塊，通信頻率為433 MHz。硬件上與主控板CPU的串口相連，工作于半雙工的模式，比特率為9 600 b/s，頻道為001。

　　為了遠程監測機器人所處的環境信息，實現中設計了兩個顯示模塊。一個用來實時顯示機器人采集回傳的圖像信息，以便觀察環境和危險物的位置，控制機器人的動作。另一個用來顯示接收到的傳感器信息，以觀察機器人所處環境信息。實現中圖像顯示采用了安裝有火狐瀏覽器的手機，也可以采用平板電腦或PC，接收和顯示WiFi傳輸過來的圖像。傳感器狀態信息的顯示采用了一個TFT液晶屏，它與CPU的SPI接口相連，顯示傳感器數據。

　　2.2履帶機器人

　　機器人上的主控板同樣采用基于STM32F103的控制板。通過串口讀取來自無線手持設備的數據，并進行解析，以判斷是機械操作命令還是讀取傳感器命令。如果是機械操作命令，則將給驅動模塊發送相應的命令，驅動機器人動作。如果是讀取傳感器命令，則采集傳感器數據，并交付給無線發送模塊，發送給手持設備。

　　機械部分由機器人底盤、機械臂、攝像頭云臺等部分構成［5］。機器人底盤由兩個直流電機驅動，機械臂設計采用了五自由度結構，由五個舵機和連接件構成，并在機械臂的前端設計了一個抓手，完成升降、抓取、釋放等動作，攝像頭云臺采用三個舵機，用于調整攝像頭的位置。機械驅動模塊由STC11F32XE單片機與外圍驅動電路構成，接收主控板串口發送的命令，以產生不同占空比的PWM波，或改變I/O口的輸出方向，驅動底盤完成機器人前進、后退、左轉、右轉動作，控制舵機改變轉角配合機械臂和云臺動作。

　　視頻采集和傳輸模塊主要采集機器人附近的圖像信息［6］，并回傳給手持設備。視頻采集使用了羅技USB攝像頭，將采集到的圖像數據交給無線WiFi路由器，由路由器發送出去。無線路由器采用了TPLINK的150M無線路由器TLTLWR703N，工作于無線AP模式。通過更新組件，將簡單的無線路由器刷成openwrt，并通過網絡配置和安裝相應的模塊，使得USB攝像頭數據可以直接通過WiFi發送。

　　無線通信模塊主要接收手持設備傳來的控制命令，交付給機器人主控板，同時接收主控板交付的傳感器信息，發送給手持終端。采用與手持設備同類型模塊，與主控板的串口相連，工作于半雙工的模式。

　　為了感知機器人所處的環境狀態，機器人上安裝了多種傳感器，包括數字式三軸陀螺儀、溫濕度傳感器、一氧化碳、有害煙塵濃度、甲烷濃度傳感器。數字陀螺儀用于檢測機器人行進時自身的平衡狀態，采用了高精度陀螺加速度計MPU6050模塊，與主控板CPU通過串口進行通信，波特率為115 200 b/s。該模塊內部集成了姿態解算器，配合動態卡爾曼濾波算法，能夠在動態環境下準確輸出模塊的當前姿態。通過該模塊發送至上位機的角度包，以了解機器人當前姿態。溫濕度傳感器數據輸出與主控板CPU的GPIO口相連，采用單總線串行數據格式，一次通信傳輸5個字節數據，包括2字節溫度數據，2字節濕度數據，1字節校驗和。有害煙塵、甲烷、一氧化碳傳感器主要基于氣敏元件對不同類型、不同濃度的氣體有不同的電阻值，并以電壓的方式輸出，檢測物濃度越高輸出值越高。實現中將這些傳感器與主控板CPU的A/D接口，通過采樣電壓值，來獲得相應的氣體濃度。

3軟件設計

　　軟件代碼完成系統各部份的控制和通信，在Keil集成環境下采用C語言編寫，并通過編譯、鏈接后，生成目標代碼，通過下載器下載到STM32F103上運行。

　　為保證機器人和控制終端之間數據通信的有序性，采用主從機的工作方式，當機器人開機以后始終處于等待狀態，等待手持控制終端發來指令。

　　3.1手持控制終端軟件設計

　　手控終端軟件工作具體流程如圖2所示。通過循環讀取A/D通道的轉換值，以確定控制搖桿是否有移動。如果有移動，就將各個通道數據編碼為統一的控制數據格式，發送給機器人執行。如果沒有，則確認定時器是否到時，如圖2手持設備端控制軟件流程

　　果時間到，則向機器人發送傳感器數據讀取指令。收到應答數據包后，對數據包進行校驗，如確認接收正確，則對數據包分析，并將攜帶的傳感器信息顯示在液晶屏上。

　　3.2履帶機器人端軟件設計

　　機器人軟件設計流程如圖3所示。通過讀取串口判斷是否收到手控終端的命令包。如果收到數據包，則解析命令是機械操作命令還是讀取傳感器命令。為了準確地定位到每個機械電機和舵機，與手控終端搖桿狀態對應，實現中對每個電機和舵機進行了編號，并作為命令參數由手控終端發送。如果是讀取傳感器命令，則將傳感器信息編碼打包，通過無線通信模塊發送給手控終端進行顯示。　

4系統功能實現

　　首先打開機器人電源，等待機器人各個部分完成初始化。此時打開手機（或PAD）會出現一個名為wifirobotlivking的WiFi熱點，再打開火狐瀏覽器，輸入預先設置的網址，可在瀏覽器中實時顯示機器人采集回傳的視頻。接著打開機器人控制終端，液晶屏上會顯示機器人所采集到的傳感器信息，包括機器人當前橫向及側向傾角、機器人所處環境的溫濕度值、有害煙塵濃度值等。根據回傳的實時視頻，操作者移動手持終端上的搖桿，可以通過無線方式遠距離遙控機器人前進、后退、左轉、右轉等運動，同時控制機械臂抓取和釋放物體，以及調整機器人安裝的攝像頭云臺轉角及俯仰角度確保最佳觀測位置。

5結論

　　本文設計并實現了一套功能高度集成的無線遙控機器人平臺，實現對機器人的遠程操控。通過機器人自身搭載的傳感器可以對目標環境參數進行監測，可進行危險爆炸物的排除和對危險有害環境的監測。該方案具有成本低、體積小、功耗低、可移植性和擴展性強等特點。下一步可以完善平臺控制軟件，增加地址識別功能，實現控制多臺機器人的協同工作，同時加入GPS導航功能，使機器人能夠記住自己的位置與行進路線，有一定的自主性，即使與手控端丟失聯系，也能夠自主返回。

參考文獻

　　［1］ 秦志強．先進機器人傳感器技術［M］. 北京：電子工業出版社，2010.

　　［2］ 莫海軍，吳少煒．排爆機器人及相關技術［J］．機器人技術與應用， 2005(4)：3136.

　　［3］ 范路橋，姚錫凡，祁亨年．排爆機器人的研究現狀及其關鍵技術［J］．機床與液壓， 2008，36(6)：139143.

　　［4］ 彭剛，秦志強．基于ARM CortexM3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐［M］. 北京：電子工業出版社，2011.

　　［5］ 李健，許旻，楊杰．排爆機器人手臂的研制及運動學分析［J］．機械與電子，2009，27(3)：6669.

　　［6］ 范路橋，姚錫凡，蔣梁中，等．排爆機器人視頻圖像系統的研究與實現［J］．科學技術與工程 ，2007，7(19)：49044908.