能力风暴智能机器人无线通信系统的研究

湖南科技学院实验实训中心 钟丽菲

引言

当今时代，人类对机器人的研究越来越深入，其研究成果也越来越丰硕，其研究力度和研究层次都在不断加大、不断深入。人们期待智能机器人之间能够彼此交流，互相协作，完成一些繁琐复杂的工作任务，例如在某些火灾场景中，为了保障救火员的人生安全，又要完成灭火的重任，就可以依靠机器人来完成灭火工作。但灭火需要统筹指挥，彼此沟通，灭火时机、灭火位置、灭火计划都需要交流沟通，因此灭火机器人也必须彼此交流，互相协作，共同完成灭火的重任。

通信是不同机器人之间互相交流的基础，通过通信，机器人才能了解其他机器人发送的指令，继而完成相应的操作，在通信方式中，无线通信是最便捷、最高效、最理想的通信方式。

本文以力风暴智能机器人为实验平台，利用体积轻巧的单片机为通信工具，通过对接好单片机和机器人之间的接口，来实现机器人之间的无线通信。

1 能力风暴智能机器人平台

本文的实验内以能力风暴智能机器人为研究对象，能力风暴直径为30cm，高13cm，能力风暴的顶端设置为半圆形，底端安装一个具备圆形碰撞环的、能够移动的机器人，机器人的微处理器选用单片机M68HC11,在微处理器中安置32 k 的静态不挥发RAM,辅助以驱动、通讯、复位等外围电路。

在进行试验之前，要保障能力风暴智能机器人平台具备以下功能；

（1）平台底部的机器人能够自主移动。它应该是一个适应能力强，具有具体规划，灵活性强，能够在繁琐复杂场景内工作的智能机器人。

（2）传感器的数量要尽可能地多，且传感器的质量应该有所保障，其感知能力要强。传感器的构造应该具备一个红外接收模块，此外还应该有两支红外发射管以及4 个碰撞传感器。此外传感器还必须配备旋转角度编码器以及麦克风。红外传感器的传感能力为，可以感应正前方120°以内，距离红外传感器10～50cm 内的物体；红外光传感器应该能够准确地判断强弱光；碰撞传感器应该安装在碰撞环上，感受东西南北四个方向上以及东西南北四个方向45°夹角线上的碰撞；麦克风的功能是感知周围声音的强弱，其并无方向之分；旋转编码器可以精准地计量机器人转轮的角度。

（3）能力风暴机器人之间都使用M68HC11 单片机，且必须使用交互式C 语言对单片机进行编程。交互式C 语言结构分为编译环境以及机器人操作系统，交互式C 语言的优点是能够同时进行多个编程，允许多个程序同时运行。机器人与计算机的连接方式是串口连接，在计算机内部编好的程序可以经由串口线输送到机器人内部，从而发出相应的指令，操作机器人执行相关命令或者让机器人主运行。

（4）机器人设计了硬件扩展总线ASBUS（abili2ty storm BUS）。设计硬件扩展总线的好处是便于机器人拓展外围电路，为智能机器人之间的交流协作提供必要的基础。硬件扩展总线有A，B 两组，两组加起来的信号线共计28 根。

在实际的实验中，以下提及的信号线都是必须用到的、主要的信号线：VCC：5V 电源；GND：地；PC0～PC7：数据线：OS0～OS3：输出选择线0～3；IS0～IS3：输入选择线0～3；PA1～PA2：输入捕捉口；PA3：输出比较口。

2 机器人之间无线通信的硬件设计

2.1 无线通信模块

顾及到机器人本来就具备的特性，以单片机为微处理器的无线通信是机器人之间最高效、最便捷、最理想的通信方式。在本实验中的，单片机内的无线收发模块为PTR2000。PTR2000 既能够收信号，也可以发信号，它具备收发一体的功能。具体来说，PTR2000 还可以高频率地发射信号和接收信号，能够放大信号，合成信号，切换频率等，该无线收发模块主要有以下特性：

（1）集发射和接收为一体，体积小，约40 cm×27 cm×5 cm；

（2）工作频率为国际通用的数传频段433MHz，采用FSK 调制/解调，可直接进行数据输入/输出，抗干扰能力强；

（3）工作电压2.70～5.25 V，功耗小，接收待机状态电流仅为8μA；

（4）工作速率最高可达20 kbit/s，也可在较低速率，如4800，9 600 bit/s 下工作，无需设置模块通信速率；

（5）使用时不需要许可认证，在地形开阔的环境下，其使用距离能够接近1 千米。PTR2000 一共7 个引脚，每个引脚具备的功能都不尽相同，具体如下；

VCC（1 脚）：正电源输入端，接2.70～5.25V；

CS（2 脚）：频道选择端，CS=0 时，选择工作频道1，即，433.92 MHz；CS=1 时，选择工作频道2，即，434.33MHz；DO（3 脚）：数据输出端；

DI（4 脚）：数据输入端；

GND（5 脚）：电源地；

PWR（6 脚）：节能控制端，PWR=1 时，模块处于正常工作状态；PWR=0 时，模块处于待机微功耗状态；

TXEN（7 脚）：发射/接收控制端，TXEN=1 时，模块被设置为发射状态；TXEN=0 时，模块被设置为接收状态[2]。

2.2 总体设计框图

考虑到机器人本身的特点以及无线收发模块的特点，设计了能力风暴智能机器人之间的无线通信框架图。

图1 机器人无线通信总体框图

2.3 无线收发模块与机器人之间的接口电路设计

在实验中，所有的机器人都必须具备发送无线数据和接收无线数据的功能，因此每个机器人身上都必须安装无线收发模块。又因为能力风暴机器人上的串口另有其他的作用，无法安装无线收发模块，因此就有必要在机器人和无线收发模块的中间区域安装一个型号为2051 的单片机。此单片机的作用是，连接机器人和无线收发模块，向机器人反馈接收或者发送的信号。在具体的连接过程中，无线收发模块的数据输出端应该和单片机的串行接收端对应连接，而单片机的串行发送端应该和无线收发模块的数据输入端相连。单片机和和机器人的具体连接方法为，能力风暴机器人的数据口（PC0～PC7）应该和单片机的P1口对应连接，此外，机器人扩展总线上的输入捕捉口应该和单片机的P3.4 相接，而机器人扩展总线上的输出捕捉口应该与单片机上的P3.2 相接。

图2 接口电路原理框图

3 机器人之间无线通信软件实现分别

机器人之间的信号接收和信号发送需要通过软件编程才能实现，无线收发模块的双向通信也需要通过编程才能实现[10]。其原理为单片机将串行读取的数据放入单片机内部的寄存器中，当完成此环节时，接收数据的第1 位是起始位0，第2～9 位是数据位，在发送数据时，会遵循先发送低位，后发送高位的规则，第10 位是停止位1，接下去的12 位都为1，即为发送数据的时间间隔5.5ms(11×500μs=5 500μs)，最后一位是新一帧数据的起始位。

4 实验结果分析

在两个能力风暴智能机器人的身上装上单片机微处理器，装上无线收发模块，两个机器人分别记作机器人1 和机器人2，机器人1 与机器人2 之间的间隔距离为120m，中间没有高大的障碍物，地势平坦。机器人1 负责发送数据，机器人2 负责接收机器人1 发送的数据。举例来说，如果机器人1 发送信号40H，41H，42H，43H，这些信号分别代表前进，后退，左转以及右转，当机器人2 接收到机器人发送的这些信号时，就应该执行相应的指令，前进或者转动。机器人1 发送的数据以及机器人2 执行的指令整理成了下表1。

表1 数据传输测试结果

分析上表能够知道，在120m 以内的有效范围内，本文设计的无线通信方法能够让能力风暴智能机器人高效交流，机器人之间的信号发射和信号接收都是快速且高效的。

5 结语

本文根据所提出机器人与机器人之间的无线通信原理，设计了机器人之间无线通信的硬件模块，编写了无线通信的软件实现。通过实验测试表明，在有效的距离范围内，多个机器人之间能够快速地发射和接收信号。该无线通信实验，没有通过计算机实现数据交换，而是直接通过无线通信实现机器人之间的直接数据传输，让机器人之间具备了直接交流的功能。多机器人系统研究作为一个热点研究方向，本文的实现方法具有重要的参考价值。