能力風暴智能機器人無線通信系統(tǒng)分析

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摘要：本文針對多個機器協(xié)作之間無線通信的問題，介紹了一種能夠讓能力風暴智能機器人彼此進行無線通信的方法，闡述了能力風暴智能機器人發(fā)送信息和接收信息的原理，并且設(shè)計了一種實現(xiàn)機器人之間無線通信的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)讓能力風暴智能機器人不再依靠計算機網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助，就能實現(xiàn)機器人之間發(fā)送信息和接收信息。通過實驗測試表明，該系統(tǒng)采集的實驗數(shù)據(jù)在一定的有效范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個機器人之間高效地通信。

關(guān)鍵詞：能力風暴智能機器人；無線通信；無線通信模塊

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(xié)作，完成一些繁瑣復(fù)雜的工作任務(wù)，例如在某些火災(zāi)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(tǒng)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(xié)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(chǔ)，通過通信，機器人才能了解其他機器人發(fā)送的指令，繼而完成相應(yīng)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(xiàn)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(nèi)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(shè)置為半圓形，底端安裝一個具備圓形碰撞環(huán)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32k的靜態(tài)不揮發(fā)RAM,輔助以驅(qū)動、通訊、復(fù)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(yīng)該是一個適應(yīng)能力強，具有具體規(guī)劃，靈活性強，能夠在繁瑣復(fù)雜場景內(nèi)工作的智能機器人。（2）傳感器的數(shù)量要盡可能地多，且傳感器的質(zhì)量應(yīng)該有所保障，其感知能力要強。傳感器的構(gòu)造應(yīng)該具備一個紅外接收模塊，此外還應(yīng)該有兩支紅外發(fā)射管以及4個碰撞傳感器。此外傳感器還必須配備旋轉(zhuǎn)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(yīng)正前方120°以內(nèi)，距離紅外傳感器10~50cm內(nèi)的物體；紅外光傳感器應(yīng)該能夠準確地判斷強弱光；碰撞傳感器應(yīng)該安裝在碰撞環(huán)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(zhuǎn)編碼器可以精準地計量機器人轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)分為編譯環(huán)境以及機器人操作系統(tǒng)，交互式C語言的優(yōu)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(nèi)部編好的程序可以經(jīng)由串口線輸送到機器人內(nèi)部，從而發(fā)出相應(yīng)的指令，操作機器人執(zhí)行相關(guān)命令或者讓機器人主運行。（4）機器人設(shè)計了硬件擴展總線ASBUS（abili2tystormBUS）。設(shè)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(xié)作提供必要的基礎(chǔ)。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(shù)據(jù)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(shè)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(nèi)的無線收發(fā)模塊為PTR2000。PTR2000既能夠收信號，也可以發(fā)信號，它具備收發(fā)一體的功能。具體來說，PTR2000還可以高頻率地發(fā)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(fā)模塊主要有以下特性：（1）集發(fā)射和接收為一體，體積小，約40cm×27cm×5cm；（2）工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段433MHz，采用FSK調(diào)制/解調(diào)，可直接進行數(shù)據(jù)輸入/輸出，抗干擾能力強；（3）工作電壓2.70～5.25V，功耗小，接收待機狀態(tài)電流僅為8μA；（4）工作速率最高可達20kbit/s，也可在較低速率，如4800，9600bit/s下工作，無需設(shè)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(huán)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，433.92MHz；CS=1時，選擇工作頻道2，即，434.33MHz；DO（3腳）：數(shù)據(jù)輸出端；DI（4腳）：數(shù)據(jù)輸入端；GND（5腳）：電源地；PWR（6腳）：節(jié)能控制端，PWR=1時，模塊處于正常工作狀態(tài)；PWR=0時，模塊處于待機微功耗狀態(tài)；TXEN（7腳）：發(fā)射/接收控制端，TXEN=1時，模塊被設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)；TXEN=0時，模塊被設(shè)置為接收狀態(tài)[2]。

2.2總體設(shè)計框圖

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

2.3無線收發(fā)模塊與機器人之間的接口電路設(shè)計

在實驗中，所有的機器人都必須具備發(fā)送無線數(shù)據(jù)和接收無線數(shù)據(jù)的功能，因此每個機器人身上都必須安裝無線收發(fā)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(fā)模塊，因此就有必要在機器人和無線收發(fā)模塊的中間區(qū)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(fā)模塊，向機器人反饋接收或者發(fā)送的信號。在具體的連接過程中，無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)輸出端應(yīng)該和單片機的串行接收端對應(yīng)連接，而單片機的串行發(fā)送端應(yīng)該和無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)口（PC0～PC7）應(yīng)該和單片機的P1口對應(yīng)連接，此外，機器人擴展總線上的輸入捕捉口應(yīng)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(yīng)該與單片機上的P3.2相接。

3機器人之間無線通信軟件實現(xiàn)分別

機器人之間的信號接收和信號發(fā)送需要通過軟件編程才能實現(xiàn)，無線收發(fā)模塊的雙向通信也需要通過編程才能實現(xiàn)[10]。其原理為單片機將串行讀取的數(shù)據(jù)放入單片機內(nèi)部的寄存器中，當完成此環(huán)節(jié)時，接收數(shù)據(jù)的第1位是起始位0，第2～9位是數(shù)據(jù)位，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，會遵循先發(fā)送低位，后發(fā)送高位的規(guī)則，第10位是停止位1，接下去的12位都為1，即為發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔5.5ms(11×500μs=5500μs)，最后一位是新一幀數(shù)據(jù)的起始位。

4實驗結(jié)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(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)，機器人2負責接收機器人1發(fā)送的數(shù)據(jù)。舉例來說，如果機器人1發(fā)送信號40H，41H，42H，43H，這些信號分別代表前進，后退，左轉(zhuǎn)以及右轉(zhuǎn)，當機器人2接收到機器人發(fā)送的這些信號時，就應(yīng)該執(zhí)行相應(yīng)的指令，前進或者轉(zhuǎn)動。機器人1發(fā)送的數(shù)據(jù)以及機器人2執(zhí)行的指令整理成了下表1。分析上表能夠知道，在120m以內(nèi)的有效范圍內(nèi)，本文設(shè)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(fā)射和信號接收都是快速且高效的。

5結(jié)語

本文根據(jù)所提出機器人與機器人之間的無線通信原理，設(shè)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(xiàn)。通過實驗測試表明，在有效的距離范圍內(nèi)，多個機器人之間能夠快速地發(fā)射和接收信號。該無線通信實驗，沒有通過計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，而是直接通過無線通信實現(xiàn)機器人之間的直接數(shù)據(jù)傳輸，讓機器人之間具備了直接交流的功能。多機器人系統(tǒng)研究作為一個熱點研究方向，本文的實現(xiàn)方法具有重要的參考價值。

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作者：鐘麗菲 單位：湖南科技學(xué)院實驗實訓(xùn)中心