教學(xué)用機(jī)器人移動(dòng)底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

教學(xué)用機(jī)器人移動(dòng)底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張睿陳辰摘要：高校機(jī)器人教學(xué)已經(jīng)越來越普及。為鍛煉學(xué)生實(shí)踐操作能力，提升教學(xué)效果，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種實(shí)用的教學(xué)機(jī)器人移動(dòng)底盤系統(tǒng)。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用三輪萬向結(jié)構(gòu)和無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，底盤與上位機(jī)通信接口采用WiFi協(xié)議。設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的控制交互協(xié)議，定義不同的控制和通信幀結(jié)構(gòu)，完成對(duì)機(jī)器人底盤的移動(dòng)控制和信息交互，便于學(xué)生操控和開發(fā)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和試用，功能可以滿足機(jī)器人教學(xué)和相關(guān)科創(chuàng)活動(dòng)需求。Key：機(jī)器人;底盤;實(shí)踐教學(xué);交互協(xié)議DOI：10.11907/rjdk.192655開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：：TP319：A：1672-7800（2020）008-0169-04Abstract：Robotteachinginuniversitieshasbecomemoreandmorepopular.Inordertotrainstudentspracticaloperationabilityandimproveteachingeffect，apracticalteachingrobotmobilechassissystemisdesignedandrealized.Themechanicalstructureofthesystemusesathree-wheeluniversalstructureandabrushlessmotordrivescheme，andthecommunicationinterfacebetweenthechassisandthehostcomputerusestheWiFiprotocol.Acompletecontrolinteractionprotocolisdesigned，whichdefinesdifferentcontrolandcommunicationframestructurestocompletethemobilecontrolandinformationinteractionoftherobotchassis，anditisconvenientforstudentstocontrolanddevelop.Thetestingandtrialprovethatthefunctioncanmeettheneedsofrobotteachingandrelatedscientificandtechnologicalinnovationactivities.KeyWords：robot;chassis;experimentalteaching;interactiveprotocol0引言隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用越來越廣泛，逐漸從工業(yè)走入人們的日常生活，給人們帶來了越來越多的便利。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為科技發(fā)展前沿方向之一，我國許多高校[1-4]甚至中小學(xué)都開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程[5-6]，在各種各樣的機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行操控和實(shí)踐。但由于機(jī)器人教學(xué)是一個(gè)全新領(lǐng)域，目前還沒有形成統(tǒng)一的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和操作規(guī)范，基本上都是各自為政，由任課教師自行選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。有的文獻(xiàn)[7-9]采用虛擬仿真環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有真實(shí)的機(jī)器人平臺(tái)，要花費(fèi)大量精力學(xué)習(xí)專門的機(jī)器人仿真軟件，教學(xué)效果不佳;有些機(jī)器人是用單片機(jī)或者ARM處理器[10]控制的，需要在專用嵌入式編程開發(fā)環(huán)境下操作，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能簡(jiǎn)單，接口定義復(fù)雜，往往涉及到大量軟硬件參數(shù)配置和初始化工作[11]，需要學(xué)生具有專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐技能，降低了實(shí)踐教學(xué)效率。筆者結(jié)合多年科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)科研項(xiàng)目中研發(fā)的機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行梳理和改進(jìn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適合高校教學(xué)實(shí)踐的機(jī)器人移動(dòng)底盤系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件底盤平臺(tái)和相應(yīng)軟件模塊，可以很方便地實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。為便于操控和升級(jí)，專門設(shè)計(jì)定義了一套網(wǎng)絡(luò)接口交互協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人底盤上的傳感器信息的采集和運(yùn)動(dòng)控制。學(xué)生不需要額外學(xué)習(xí)專門的開發(fā)軟件或仿真工具，可以選擇自己擅長的編程工具，通過socks編程方式控制機(jī)器人。經(jīng)過實(shí)際教學(xué)應(yīng)用及多項(xiàng)科創(chuàng)活動(dòng)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)平臺(tái)的功能和可靠性，證明其適合高校機(jī)器人課程應(yīng)用。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底盤最重要的功能是運(yùn)動(dòng)，目前使用的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有仿生足式、履帶式和輪式等。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和可靠性方面考慮，輪式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、操控方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合于教學(xué)應(yīng)用。輪式結(jié)構(gòu)又分為四輪驅(qū)動(dòng)[10]、雙輪差分驅(qū)動(dòng)+隨動(dòng)輪、三輪全向驅(qū)動(dòng)等，根據(jù)實(shí)際使用效果和功能分析，筆者選定三輪全向驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是：①三輪全向結(jié)構(gòu)通過分別控制3個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速和方向，可以驅(qū)動(dòng)底盤向任意方向平移和旋轉(zhuǎn)，底盤運(yùn)動(dòng)方向和速度調(diào)整控制算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn);②全向輪受地面影響較小，前后平移距離和旋轉(zhuǎn)角度控制比較準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)路線不容易偏移;③全向輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)加工精度要求不高，相對(duì)于另一種常用的麥克納姆輪[12]成本較低。機(jī)器人底盤采用圓形結(jié)構(gòu)，3個(gè)全向輪在底盤圓周均勻分布，編號(hào)依次為0～2，則底盤運(yùn)動(dòng)的前方就是與2號(hào)輪指向圓心方向。機(jī)械安裝如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用無刷電機(jī)，每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)全向輪。電機(jī)選擇GMP28-TEC2847-1280-100[13]，12V供電，功率為5W，內(nèi)置安裝好的驅(qū)動(dòng)器和減速器。全向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法可以Reference[14]。為提高機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境的感知能力，必須增加必要的傳感器用來探測(cè)周圍障礙物等信息，然后根據(jù)實(shí)際情況制定運(yùn)動(dòng)路線和控制策略，以提高機(jī)器人智能程度。從功能和成本等方面綜合考慮，筆者選用常用的紅外和聲納兩種探測(cè)器進(jìn)行底盤設(shè)計(jì)。其中紅外探測(cè)器探測(cè)范圍是10～50cm，探測(cè)距離固定，主要用于運(yùn)動(dòng)中的近距離障礙物探測(cè)，及時(shí)作出避障處理。而聲納的有效距離為20～1000cm，用于較遠(yuǎn)距離的物體探測(cè)，可以探測(cè)物體的具體距離，用來做地圖構(gòu)建和路徑規(guī)劃等用途。筆者設(shè)計(jì)的機(jī)器人底盤共安裝了8個(gè)紅外探障傳感器和4個(gè)聲納傳感器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。紅外傳感器沿著圓周均勻分布，按照順時(shí)針編號(hào)依次為0～7，其中0為正前方，各圓心角間隔為45度。聲納傳感器編號(hào)為A～D，分別對(duì)應(yīng)前、右、后、左4個(gè)方向。這些傳感器能夠滿足大部分探障需求。2底盤系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)教學(xué)用機(jī)器人的目的主要是面向教學(xué)實(shí)踐以及科創(chuàng)競(jìng)賽，操作者一般都是學(xué)生和科創(chuàng)項(xiàng)目開發(fā)人員，經(jīng)常會(huì)更改程序和進(jìn)行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。程序代碼均在臺(tái)式機(jī)或筆記本上進(jìn)行，傳統(tǒng)的軟件下載到機(jī)器人底盤往往需要連接專門的調(diào)試線（如網(wǎng)線、串口線或者JTAG調(diào)試線等），會(huì)帶來很多不便和安全隱患。筆者在前期教學(xué)實(shí)踐中就希望能有一款無線操控的機(jī)器人底盤，學(xué)生可以通過很簡(jiǎn)單的API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。根據(jù)上述需求，本文設(shè)計(jì)了一款控制系統(tǒng)，包括硬件電路和軟件模塊，可用于課程實(shí)踐活動(dòng)。2.1機(jī)器人底盤硬件結(jié)構(gòu)機(jī)器人底盤選用一片F(xiàn)PGA芯片（Altera公司的EP4CE6），用于傳感器信號(hào)采集和電機(jī)控制，主要功能有3個(gè)：①控制紅外信號(hào)發(fā)送和接收，結(jié)果存放在一個(gè)寄存器中，每個(gè)bit對(duì)應(yīng)一路紅外傳感器，1表示有障礙物，0表示無障礙物;②控制聲納發(fā)送和接收，返回結(jié)果為障礙物距離，聲納探測(cè)結(jié)果存放在一個(gè)16bit的寄存器中;③根據(jù)命令產(chǎn)生電機(jī)控制信號(hào)，包括方向和PWM值，同時(shí)接收電機(jī)的編碼器反饋信號(hào)，通過閉環(huán)方式調(diào)整電機(jī)速度。主控制器選用TI公司的MSP430F5438A[15]單片機(jī)芯片，主要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的流程控制和數(shù)據(jù)通信。主要功能有：①通過UART接口外接WiFi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的無線數(shù)據(jù)交互，接收上位機(jī)命令或者向上位機(jī)傳遞反饋參數(shù);②通過總線接口和GPIO接口與FPGA芯片連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的初始化和控制，同時(shí)接收對(duì)應(yīng)的傳感器信息或進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。硬件電路還預(yù)留了多個(gè)ADC、串口和GPIO接口，可以根據(jù)需求擴(kuò)展外接設(shè)備，提升機(jī)器人底盤功能。2.2機(jī)器人底盤軟件結(jié)構(gòu)底盤系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，作用是接收上位機(jī)控制命令，根據(jù)命令進(jìn)行傳感器信息采集或電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)把反饋信息發(fā)送給上位機(jī)。目前的標(biāo)準(zhǔn)配置包括紅外避障、聲納探障和電機(jī)驅(qū)動(dòng)3個(gè)基本模塊，可滿足一般教學(xué)需求。對(duì)于高水平的教學(xué)和科創(chuàng)活動(dòng)，另外開發(fā)了家電遙控、光效控制、環(huán)境探測(cè)、自身姿態(tài)定位探測(cè)和安防控制等模塊，可以酌情增減。機(jī)器人底盤與上位機(jī)通信采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)方式。設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的接口控制協(xié)議，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易API接口，通過界面參數(shù)設(shè)置的方式操控機(jī)器人。允許學(xué)生直接根據(jù)協(xié)議自行選擇編程工具，通過socks編程方式進(jìn)行自主功能開發(fā)。3控制接口協(xié)議設(shè)計(jì)操控機(jī)器人底盤系統(tǒng)時(shí)，上位機(jī)與底盤之間必須進(jìn)行有效的命令和信息傳遞，筆者采用數(shù)據(jù)幀的格式定義控制協(xié)議。數(shù)據(jù)幀形式不受上下位機(jī)軟件系統(tǒng)限制，開發(fā)人員可以選擇任意編程語言和開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)需要的功能。數(shù)據(jù)幀長度統(tǒng)一規(guī)定為10個(gè)字節(jié)，具體定義如圖6所示。其中：Byte0～4：共5個(gè)字節(jié)，為幀同步序列，采用“ROBOT”單詞的ASCII碼（0x52，0x4F，0x42，0x4F，0x54）作為數(shù)據(jù)幀的頭部識(shí)別標(biāo)志;Byte5：為命令字，對(duì)應(yīng)不同的操作控制;Byte6-9：為命令參數(shù)，根據(jù)具體命令字而定。Byte5命令字決定一個(gè)數(shù)據(jù)幀具體功能，定義如圖7所示。其中：Bit7-6：幀類型指示;00：主動(dòng)控制命令，不需要應(yīng)答01：主動(dòng)控制命令，需要應(yīng)答10：應(yīng)答幀Byte5-2：命令類別，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備類型;Byte1-0：00表示讀，01表示寫，10表示特殊操作。3.1運(yùn)動(dòng)控制命令解析運(yùn)動(dòng)控制命令數(shù)據(jù)幀的Byte5中，命令類別定義為二進(jìn)制數(shù)值0001。操作類別取值不同，后續(xù)參數(shù)定義也不同。有3種情況：（1）操作類別=00。表示對(duì)電機(jī)的單個(gè)配置寄存器進(jìn)行讀操作，Byte6參數(shù)表示讀取地址。底盤接收到讀取命令（Byte5=0x04）后進(jìn)行應(yīng)答反饋，反饋幀Byte5=0x84（表示對(duì)電機(jī)讀取命令的應(yīng)答）;Byte6=讀取地址;Byte7=讀取到的數(shù)據(jù)。（2）操作類別=01。表示對(duì)電機(jī)的單個(gè)配置寄存器進(jìn)行寫操作，命令格式為Byte5=0x05，表示電機(jī)寫入;Byte6參數(shù)為寫入地址，Byte7為寫入數(shù)據(jù)?？梢跃唧w配置每個(gè)電機(jī)的參數(shù)，分別控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向。（3）操作類別=10。表示對(duì)底盤進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng)控制。命令格式為Byte5=0x06;Byte6為運(yùn)動(dòng)方向參數(shù)，有停止、平移（前、后、左、右等8個(gè)方向）、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等選擇;Byte7值為0～255，表示運(yùn)動(dòng)速度。上述命令中，整體運(yùn)動(dòng)控制命令③的使用比較簡(jiǎn)單，可以統(tǒng)一控制底盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，適合初學(xué)者對(duì)底盤進(jìn)行操控。而命令②可以對(duì)每個(gè)電機(jī)的速度和方向進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制，適合于層次較高的教學(xué)應(yīng)用和科創(chuàng)競(jìng)賽活動(dòng)開發(fā)。3.2運(yùn)動(dòng)傳感器命令解析紅外避障傳感器和聲納都屬于運(yùn)動(dòng)相關(guān)的傳感器，數(shù)據(jù)幀Byte5中命令類別定義為二進(jìn)制數(shù)值0010。為統(tǒng)一管理，所有傳感器的控制參數(shù)和結(jié)果都存放在一個(gè)寄存器表中，可以對(duì)其中的每個(gè)