摘要：文章以MSP430系列單片機為核心，提出了一種輪式移動機器人的軟硬件設計方案，闡述了其通過傳感器網絡來進行避障、遍歷等自主控制，并實現機器人與ＰＣ機間無線控制的方法。
關鍵詞：機器人；MSP430；PWM；232通訊
１ 引言
自主式移動機器人是指能根據任務及環(huán)境信息做出全局路徑規(guī)劃，可在行進中不斷感知局部環(huán)境信息并自主作出決策，從而能夠安全行駛并到達目標的智能系統(tǒng)。移動機器人可廣泛應用于工業(yè)、國防以及服務性行業(yè)。如自動割草機、洗塵機器人、教育機器人等。本文以ＭＳＰ４３０單片機為核心介紹了一種移動機器人的設計雛形，該系統(tǒng)利用各種傳感器感知周圍環(huán)境，并在計算機與單片機之間實現無線通信，從而以無線方式控制移動機器人。
ＭＳＰ４３０ 是美國ＴＩ公司推出的１６位高性能系列單片機，其高效１６位精簡指令結構可以確保任務的快速執(zhí)行，大多數指令可以在一個時鐘周期里完成，且具有高級語言編程能力，配套友好方便的集成開發(fā)環(huán)境足可加速軟件的開發(fā)。由于ＭＳＰ４３０采用了ＪＴＡＧ技術、ＦＬＡＳＨ 在線編程技術、ＢＯＯＴ-ＳＴＲＡＰ 等諸多先進技術，因此具有很高的性價比，并有超低的功耗和豐富的片上外圍資源，很適合作為移動設備的微控制器來用。
２ 硬件結構
筆者選用的ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２內含８ｋＢ可重復編程快閃存儲器、２５６字節(jié)只讀存儲器（ＲＡＭ）、多通道脈寬調制ＰＷＭ 計時器、看門狗計時器和ＵＳＡＲＴ通訊模塊等，采用２８腳ＴＳＳＯＰ封裝，因此易于進行小型化設計。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２主要用來產生兩路ＰＷＭ信號，以對傳感器信息進行處理。同時，筆者還選用電機驅動芯片Ｌ２９３Ｄ來驅動直流電機，并利用霍爾元件來檢測電機速度；此外還安裝了紅外避障和光敏傳感器以獲取環(huán)境信息，并利用語音電路ＩＳＤ２５１２０來進行交互，而通過微控制器的ＵＡＲＴ經２３２接口芯片后利用無線模塊ＰＴＲ２０００可與ＰＣ機端的無線模塊進行通訊。圖１所示為其系統(tǒng)框圖。
２．１ ＰＷＭ脈寬調制
ＭＳＰ４３０單片機的Ｔｉｍｅｒ＿Ａ是一個非常有用的定時器，它可支持同時進行的多種時序控制、多個捕獲／比較功能以及多種輸出波形，也可以支持上述功能的組合。這里用Ｔｉｍｅｒ＿Ａ來產生兩路ＰＷＭ信號，并分別接Ｌ２９３Ｄ的１２ＥＮ和３４ＥＮ，以用來控制兩個電機的起停、轉向及速度。定時器工作在增計數模式時，可由捕獲／比較寄存器ＣＣＲ０確定周期Ｔ，而由ＣＣＲ１和ＣＣＲ２產生兩路ＰＷＭ信號。輸出單元選擇模式２。改變ＣＣＲ１和ＣＣＲ２的值，即可改變ＰＷＭ信號的占空比，從而改變電機轉速。
Ｌ２９３Ｄ的芯片電壓為５Ｖ，電機驅動電壓ＶＣＣ２為１１．４Ｖ可通過３節(jié)３．８Ｖ的鋰電池提供，５Ｖ電壓經整流橋后可由穩(wěn)壓器ＬＤＯ７８０５提供，ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的３．３Ｖ供電電壓可由ＬＭ３３穩(wěn)壓輸出。Ｌ２９３Ｄ與單片機的連接圖如圖２所示。
２．２ 語音電路
語音電路采用１２０秒的語音芯片ＩＳＤ２５１２０來實現，該芯片有多種封裝，本設計采用小巧的２８ＳＯＩＣ封裝，它控制簡單，其Ｐ／Ｔ引腳為錄放控制端，ＣＥ引腳為放音／暫�？刂贫�，ＰＤ為ＲＥＳＥＴ信號，這些ＲＥ-ＳＥＴ信號端可接單片機的Ｉ／Ｏ口Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２，地址位的最高兩位Ａ８和Ａ９均為高時，地址／模式輸入端為模式選擇，否則為地址輸入。在與ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２連接時，Ａ６、Ａ８、Ａ９接Ｐ３.６，Ａ０接Ｐ３.７，其余地址引腳接地，這樣就可方便地對ＩＳＤ２５１２０進行地址選段選擇或模式控制。
２．３ 充電電路
充電電路采用無需控制器的智能快速充電器ＭＡＸ１７５８來實現，ＭＡＸ１７５８可對１～４節(jié)鋰電池進行充電，輸入電壓范圍在４～２８Ｖ，電池充電電壓可通過ＶＡＤＪ引腳進行設置，并通過外接電容設置預充和快充的充電時間，同時可通過ＬＥＤ來指示當前的充電狀態(tài)。充電電源采用２４Ｖ直流電源。
２．４ 無線通信模塊
考慮到自主機器人的特點，計算機與機器人的通信采用無線通信方式較為適宜。筆者選用微小型、低功耗、高速率、１９．２Ｋ無線收發(fā)數傳ＭＯＤＥＭ芯片ＰＲＴ２０００來完成計算機與機器的無線通信，該ＭＯＤＥＭ的工作頻率為國際通用的數傳頻段４３３ＭＨｚ，采用ＦＳＫ調制，可連接到計算機ＲＳ２３２接口。因為沒有信號時，ＰＴＲ２０００的串口會輸出隨機數據，因此需要定義一個簡單的指令協議，設計時可加開始字符、校驗位、結束標志等，校驗采用ＣＲＣ校驗。傳輸協議定義為：
[開始字符][數據１][數據２][８位校驗][結束字符]
在各種校驗方法中，奇偶校驗容易實現，但不太可靠，因其只能發(fā)現奇數個錯誤；校驗和不能發(fā)現次序錯誤，相比之下，ＣＲＣ更可靠些。系統(tǒng)首先生成多項式Ｇ（Ｘ）＝Ｘ８＋Ｘ６＋Ｘ２＋１然后生成８位ＣＲＣ校驗數據。
ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２中集成的高速通用同步－異步收發(fā)器(ＵＳＡＲＴ)可設置成用于ＵＡＲＴ或串行外設接口(ＳＰＩ)中的任一模式，本例采用ＵＡＲＴ異步模式。 ＭＳＰ４３０的ＵＳＡＲＴ與ＰＴＲ２０００連接時，ＰＴＲ２０００的ＤＯ和ＤＩ直接與單片機的ＵＲＸＤ０和ＵＴＸＤ０連接，計算機串口的ＲＸＤ和ＴＸＤ需經電平轉換ＭＡＸ２３２ 與ＰＴＲ２０００相連。計算機端可采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ編寫程序，以實現對機器人的前進、后退、左轉、右轉、暫停及速度調節(jié)等基本控制。對于收發(fā)狀態(tài)的控制，單片機端可直接通過將一輸出口置１或置０來將無線收發(fā)模塊置于發(fā)射或接收狀態(tài)，而對計算機串口的控制則可通過ＶＢ內ＭＳＣｏｍｍ控件的ＲＴＳＥｎａｂｌｅ屬性來實現。
３ 軟件設計
系統(tǒng)軟件根據任務不同一般會有所差別。本系統(tǒng)軟件在啟動后先初始化，然后通過紅外傳感器以及霍爾元件等傳感器將環(huán)境循環(huán)掃描一周。需指出的是，完成一周需要有傳感器信號來指示，然后才能遍歷實驗環(huán)境，遍歷環(huán)境采用先橫向走遍整個環(huán)境，再縱向遍歷的方法。在無線控制信息時，系統(tǒng)將通過中斷進行相應處理。機器人還可以通過傳感器實現循跡（黑線）行走和尋找光源等功能。在ＰＣ端，用ＶＢ編的一個簡單的機器人控制界面可非常方便的設定機器人的平移速度和旋轉速度，實時控制機器人前行、后退、左轉、右轉以及運動停止等。
圖３給出了單片機端的程序流程圖以及串行中斷子程序。
４ 結束語
本文介紹了一種輪式移動機器人的設計方案，該系統(tǒng)的程序和ＰＣ端的無線控制相對獨立，無線控制只是完成一些簡單的動作控制。在此基礎上，可進一步研究移動機器人在未知環(huán)境中如何感知、學習、分析及處理周圍環(huán)境信息，并運用神經網絡及遺傳算法等進行規(guī)劃來實現自學習功能的方法。這樣，人為指令就可以完全由計算機在分析、處理后自動發(fā)出，從而實現真正意義上的機器人自主行為。 |
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