單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：?jiǎn)伪鲬?zhàn)用機(jī)器人方便攜帶、操控簡(jiǎn)單、可代替人類(lèi)到達(dá)危險(xiǎn)環(huán)境作戰(zhàn)。機(jī)器人通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)接收遙操控終端發(fā)送的控制指令，按照指令行動(dòng)；同時(shí)機(jī)器人采集自身的狀態(tài)信息，發(fā)回遙操控終端。手持遙操控終端的士兵能夠方便的控制機(jī)器人，并實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人的狀態(tài)信息。文中詳細(xì)介紹了單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)伪鲬?zhàn)；機(jī)器人；控制系統(tǒng)；DSP

    單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人體積小，方便單兵野外作戰(zhàn)時(shí)攜帶，可完成偵察、作戰(zhàn)、排爆等任務(wù)。機(jī)器人能夠代替人類(lèi)到達(dá)不方便到達(dá)或危險(xiǎn)的環(huán)境，確保了士兵的安全。車(chē)體是履帶式設(shè)計(jì)，行動(dòng)平穩(wěn)。

1 單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)士兵對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，需要配合使用遙操控終端。機(jī)器人與遙操控終端的工作原理如圖1所示。

    遙操控終端通過(guò)按鈕、開(kāi)關(guān)、搖桿采集工作人員的操控指令，將操控指令轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的格式通過(guò)串口發(fā)給無(wú)線(xiàn)電臺(tái)，無(wú)線(xiàn)電臺(tái)將該數(shù)據(jù)發(fā)送出去；機(jī)器人控制系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)接收到來(lái)自操控終端的控制指令后，按照操控指令控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、武器擊發(fā)，同時(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)采集機(jī)器人的GPS位置、電池電量、超聲波避障信息等，把機(jī)器人信息打包后通過(guò)機(jī)器人上的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)發(fā)送給遙操控終端的電臺(tái)，遙操控終端接收到機(jī)器人信息后，將其顯示在人機(jī)界面上，以備士兵隨時(shí)掌握機(jī)器人的實(shí)時(shí)信息。
    單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)是基于DSP芯片及與其外圍電路、電源電路組成。DSP芯片選用TMS320F2812。TMS320F2812是美國(guó)TI公司推出的C2000平臺(tái)上的定點(diǎn)32位DSP芯片，主頻150 MHz、處理性能可達(dá)150 MIPS，每條指令周期6．67 ns。

TMS320F2812包括4M可尋址程序空間和4M可尋址數(shù)據(jù)空間。同時(shí)片內(nèi)具有128×16位的FLASH存儲(chǔ)器和18K×16位的SRAM。TMS320F2812采用3_3 V和1．8 V供電，功耗低。TMS320F28 12的外部接口非常豐富，16路12位的ADC采集通道，SPI、SCI通信模塊，多達(dá)56個(gè)復(fù)用I／O引腳。

    單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)組成如圖2所示。
1．1 I／O端口
    TMS320F2812的GPIOA0-GPIOA3口設(shè)置成基本輸入輸出端口，端口配置及屬性如表1所示。

    超聲波避障信號(hào)用于探測(cè)機(jī)器人前方0．5 m內(nèi)是否有障礙物，如遇到障礙物，機(jī)器人可自動(dòng)轉(zhuǎn)彎避開(kāi)。武器擊發(fā)開(kāi)關(guān)用于機(jī)器人上武器的擊發(fā)控制，手電開(kāi)關(guān)用于機(jī)器人上手電的開(kāi)關(guān)控制，攝像頭廣窄角選擇用于機(jī)器人上攝像頭的廣角與窄角的切換。
1．2 A／D端口
    TMS320F2812的A／D轉(zhuǎn)換器模塊共有16個(gè)通道，模擬電壓的輸入范圍是0～3 V。這里用了其中的2個(gè)通道，分別用來(lái)測(cè)量機(jī)器人上的2塊24 V鋰電池的電量。圖3中電量測(cè)量電路分為3個(gè)部分：差分比例1：10電路，把24 V電壓轉(zhuǎn)換到0～2．4 V區(qū)間；隔離比例1：1電路，能有效的隔離輸入電壓與DSP的前端接口；電壓鉗位電路，將輸入到DSP端口的電壓鉗位在3.3 V以?xún)?nèi)，防止電源電壓意外浪涌時(shí)損壞DSP的A／D轉(zhuǎn)換端口。2路24 V電池電壓分別經(jīng)過(guò)2路電量測(cè)量電路后，輸入到DSP的ADCINA0、ADCINA2兩個(gè)端口，根據(jù)采集到的電壓值，可計(jì)算當(dāng)前電池的電壓，從而確定電池電量。

1．3 串 口
    TMS320F2812的GPIOF4、GPIOF5配置成串口1，GPIOG4、GPIOG5配置成串口2。串口1接收GPS的信息，用來(lái)確定當(dāng)前機(jī)器人的位置信息；串口2連接機(jī)器人電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與遙操控終端電臺(tái)的無(wú)線(xiàn)傳輸。機(jī)器人電臺(tái)連接攝像頭和麥克之后，能夠把影音信息傳送到遙操控終端的電臺(tái)，遙操控終端的工作人員即可接收到機(jī)器人附近的視頻、音頻信息。
1．4 電機(jī)控制
    機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)由左履帶電機(jī)和右履帶電機(jī)控制。機(jī)器人上的武器通過(guò)做上下、左右調(diào)節(jié)來(lái)瞄準(zhǔn)目標(biāo)。
    DSP的XINTF是其外部接口，這里使用了XD0-XD11共12根數(shù)據(jù)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換為5 V電平后，連接到D／A轉(zhuǎn)換芯片。D／A轉(zhuǎn)換芯片選用了12位的AD664，可輸出4路0～5V模擬電壓，4路模擬電壓作為控制電壓輸入到電機(jī)控制器，分別控制機(jī)器人左履帶電機(jī)、右履帶電機(jī)、武器上下調(diào)節(jié)電機(jī)、武器左右調(diào)節(jié)電機(jī)。
    當(dāng)電壓為2．5 V時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；電壓小于2．5 V時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；電壓大于2．5 V時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)。對(duì)于左履帶和右履帶，通過(guò)輸出的控制電壓，可實(shí)現(xiàn)車(chē)體前進(jìn)、后退的無(wú)級(jí)變速，以及左、右轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)控制。
1．5 電源供電電路
    鋰電池具有體積小、重量輕、容量大的特點(diǎn)。機(jī)器人內(nèi)置2組24 V供電電池。第1組24 V電池為左履帶電機(jī)、右履帶電機(jī)、武器上下調(diào)節(jié)電機(jī)、武器左右調(diào)節(jié)電機(jī)供電。第2組24 V電池經(jīng)過(guò)DC／DC模塊．轉(zhuǎn)換成12 V電壓和5 V電壓。12 V電壓用來(lái)給機(jī)器人上的無(wú)線(xiàn)電臺(tái)供電。5 V電壓為控制電路供電，同時(shí)經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成3．3 V和1．8 V電壓為DSP供電。為了監(jiān)測(cè)DSP芯片供電電壓是否正常，增加了電壓監(jiān)控電路，當(dāng)DSP芯片供電不正常時(shí)，可將此故障報(bào)送到電臺(tái)發(fā)送到遙操控終端。

2 單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。主程序?qū)崿F(xiàn)的流程如圖5所示，上電初始化處理器的I／O端口、A ／D端口、串口等資源，初始化完畢開(kāi)始與遙操控終端軟件進(jìn)行通信，握手成功后，開(kāi)啟軟件定時(shí)器、中斷，定時(shí)采集機(jī)器人信息，包括超聲波避障、電量測(cè)量值、GPS信息。

    當(dāng)串口2即機(jī)器人無(wú)線(xiàn)電臺(tái)出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)中斷時(shí)，表明接受到來(lái)自遙操控終端的控制數(shù)據(jù)，此時(shí)處理器進(jìn)入中斷服務(wù)程序，如圖6所示。中斷程序首先將串口2接收到的數(shù)據(jù)保存到寄存器，然后將最新采集的機(jī)器人信息按照預(yù)定格式發(fā)送到串口2，通過(guò)機(jī)器人無(wú)線(xiàn)電臺(tái)發(fā)送給遙操控終端。程序還需要根據(jù)串口2所接到的數(shù)據(jù)，按照預(yù)定的格式分配到處理器的各個(gè)端口，實(shí)現(xiàn)遙操控終端的控制指令，包括武器擊發(fā)開(kāi)關(guān)、手電開(kāi)關(guān)、攝像頭廣角窄角切換、左履帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、右履帶電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、武器高低轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度、武器左右轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。

3 結(jié)束語(yǔ)
    單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人便于攜帶、操控簡(jiǎn)單、可廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、武警部隊(duì)。文中所設(shè)計(jì)的單兵作戰(zhàn)用機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、設(shè)計(jì)合理，理論試驗(yàn)驗(yàn)證可行，在實(shí)際應(yīng)用中得到了用戶(hù)的認(rèn)可。