基于群体智能的自主机器人设计

臧申俊

0 引 言

随着科学技术的高度发展，机器人已经逐步在各行各业得到广泛的应用，比如在未知或危险环境下，多机器人协同完成任务是最好的选择。因此，基于移动机器人的研究逐渐成为当前的一大热点。结合群体智能这个研究方向，设计该自主式机器人，主要目的是设计一群个体功能简单的机器人，为群体智能方向的研究提供硬件平台。本文描述的机器人采用的是luminary 的LM3S1968处理器，机器人之间通过Xbee通信模块进行通信，利用红外传感器感来进行蔽障，达到群体协作共同完成相应的任务。

1 系统硬件的设计

从功能模块划分，系统由主控板，功能板和电机电源组成。

1.1 主控板

主控板主要由CPU及其外围电路，以及一些调试用LED灯和按键组成。其电源输入是由功能板上提供的5V电源，稳压芯片用的是LM1117-3.3V。经过电源转换后，电源DP3V3稳定在3.3V，为整个主控板供电[1]。如图1所示。

1.1.1 CPU

主控板所选用的CPU是luminary 的LM3S1968。该CPU使用到的功能模块有：GPIO端口,JTAG接口,定时器模块,通用异步收发器等。其他模块考虑到扩展应用的需要，在主控板上引出了接口，将来的使用者可根据需要进行调整。

图1 主控板

1.1.2 时钟晶振

图2 CPU外部时钟

CPU内部本身有一个12MHz的内部振荡器，但频差较大。因此机器人用的是一个外部的8MHz晶振作时钟源，电路如图2。而图中另一个4.194M的晶振是供休眠模式使用的，在休眠模式中，CPU通过切换成较低频率的时钟来达到节能的目的。

1.1.3 复位电路

CPU的Reset是低电平有效，引脚外接到Reset按键，当按键按下时引脚输入低电平，使CPU复位。初始状态下复位后的CPU内程序被清空。

1.1.4 LED与按键

主控板上的LED灯和按键主要是用来作程序调试用的，如图3和图4所示。LED在相对应的GPIO输出为低电平时点亮，灯D1是电源指示灯，D2是休眠模式指示灯，D3～D6是调试用灯；而按键电路中，按下按键则输出一个低电平，其中Reset是复位键，Wake是休眠模块用到的，KEY1和KEY2是调试用按键。

图3 LED电路

图4 按键电路

1.1.5 接口

在主控板上一共有一个电源接口、三个双排插口和四组排针口。如图1所示。

1.2 功能板

功能板是主控板的控制信号的执行者，主要包括电源模块、红外测距、电机及驱动、串口等功能块[2]。如图5。

图5 功能板

1.2.1 电源

在功能板上存在着两种供电电压，分别为从电源的稳压输入5V和3.3V，其中3.3V为红外接收管和串行红外接口供电，5V为板上的其他设备供电。

1.2.2 红外测距

图6 红外测距模块电路

如图6所示，在机器人上一共放置了五对测距红外，上图仅代表一对测距红外和4066模拟开关芯片的联接。当前方无障碍物时接收管断开，输出一个高电平，当前方有障碍物时发射管发射的红外光反射回来，接收管导通，输出一个低电平。为了调节发射强度，机器人在每个发射管上都连有一个电位器，可以通过调节电阻值大小来改变发射管的发射强度。

1.2.3 电机

采用四相步进电机，电机的转速可以通过改变控制引脚状态转变的速度来控制。由于驱动电流过小，电机的四个引脚无法用GPIO口直接驱动，选用BA6845FS芯片驱动[3] ，如图7所示。

图7 步进电机驱动电路

1.2.4 串口

图8 UART与MAX232电路图

串口部分留出了两对UART口和一个串行红外通信模块。CPU上的UART引脚需要经过232芯片，从TTL信号转换为RS232信号。串行红外的通信不需要经过232芯片的转换，但需要一个集成的串行红外模块，电子鼠使用的是类似的HSDL-3600串行红外通信芯片，芯片连接与3602相同[4]。在使用时，将两个机器人的红外通信口相对，即可进行串口的通信。

1.2.5 接口

在功能板上有两个插口是与主控板相连接的，JP1对应的是主控板上的插口CONNECTOR， JP2对应的是插口UART1&IRC，以及功能板上还有一类接口是连接外部器件。如图5所示。

2 系统驱动的设计

在这个部分中，将对这机器人的驱动程序进行说明，包括接口、模块定义和实现等。

2.1 结构体，常量和端口定义

我们在驱动文件中，定义了一些常量和结构体控制机器人的运动，为上层功能提供数据接口，还定义了GPIO口的控制信号映射关系，以避免每次需要查找电路图GPIO口连线。

2.2 初始化

在开始使用驱动程序之前，对CPU的时钟、GPIO、LED灯、红外测距、电机、定时器等各个模块进行了初始化。用来记录电机当前行止状态、转向、总步数，电子鼠X、Y坐标、朝向、行止状态、速度以及五个测距红外的读数值。

2.3 电机驱动

通过电机相位控制对电机的相位作记录，根据当前电机转向把相位向前或者向后推进一格。定时器中断服务程序使用了CPU的两个32位定时器Timer0和Timer1，分别对左轮和右轮进行定时驱动。电机转速设置是通过改变相应定时器的置数值，改变定时器触发中断的周期，从而改变电机的转速。

2.4 运动的控制

为了实现驱动的透明度，在电机控制之上加一层对机器人运动状态的控制。主要运动状态有左转90度，左转180度，右转90度，右转180度，熄火，前进等。

定时扫描红外测距模块。在系统定时器SysTick的中断服务程序中，驱动打开红外测距模块，对5个红外测距进行逐一扫描读数，将读到的结果保存在结构体变量Telemeter中。

2.5 驱动应用：Pacer状态机

驱动的一个应用例子，通过状态机模型实现机器人从初始点跑到终点，其间避开所遇到的障碍的功能。机器人根据当前位置和目标点位置贪婪地做出决策。如图7所示：

图7 状态转化流程模型图

3 结论

本文描述了机器人的结构设计，利用其基本功能实现了拼字母这一应用场景，并验证了其性能。目前该设计中还有许多需要改进的地方，如布线、需要对功能板进行升级，将通信模块集成到功能板上，给机器人控制加上反馈模块，该模块可以是指南针模块或车轮转数计数模块，等等。

[1] 刘霞等.电子设计与实践[M] .电子工业出版社,2009.

[2] (美)卡特索利斯著,徐君明,等译.嵌入式硬件设计[M] ..中国电力版社,2004.

[3] 王水平,周培志,张耀进等.PWM 控制与驱动器使用指南及应用电路[M] ..西安电子科技大学出版社,2005.

[4] 海涛,龙军主编.计算机通信技术[M] ..重庆大学出版社,2005.