产品技术手册.pdf

成都理工大学创新教育基地 成都理工大学创新教育基地 成都理工大学创新教育基地 （机器人开发组） （机器人开发组） 产品技术手册 产品技术手册 名称：名称：RobotWin 版本：版本：Rv10 日期：日期：2007 年年 2 月月 1 成都理工大学创新教育基地 目录目录 1、产品概述.1 2、产品介绍.1 2.1、RobotWin单机机器人使用说明.1 2.1.1 电气部分.1 2.1.2 机械部分：.9 2.2、RobotWin无线传输网络.10 2.2.1 通信方式：.10 2.2.2 传输协议：.11 2.2.3 硬件设计.11 2.2.4 传输协议制定与软件设计.12 3、典型示例.14 4、相关图片.15 5、软件部分.16 5.1 软件框图.16 5.2 子程序功能.17 5.3 工具.18 5.3.1 软件开发工具.18 5.3.2 硬件开发工具.18 6、注意事项.19 7、关于我们.19 8、联系方式.19 I 成都理工大学创新教育基地 机器人技术指标 机器人技术指标 类型：轮式移动机器人 轮子：直径 8cm，两个驱动轮，一个万向轮 电机：采用德国微型直流伺服电机，有专门直流电机驱动板 体积：23cm*14cm*12cm 重量：3kg 行走速度：1.5m/s 电池：一次性充电可以使用 50 分钟以上 光电编码器：100p/r 8 通道红外巡线传感器 键盘：16*16 的键盘 液晶：LCM1602 核心 CPU：mega128 指示灯：4 个单独的 led 指示灯 无线收发模块： 可通过串口与计算机通信的同时通过无线数传模块根机器人通信 软件：上位机软件、下位机软件、无线收发模块软件 功能要求： 1、自动巡线功能，可巡黑线和白线； 2、红外蔽障功能； 3、无线数字传输功能，最多可同时支持 6 通道无线数据传输，传输距 离不小于 100 m，传输速度； 4、自动寻光功能，能够迅速找到光源，并使车头转到光源的方向上； 5、音乐播放功能，至少可以播放 8 首歌曲； 6、机器人的地址可在 016 之间任意可设； 7、红外遥控功能，可以利用普通遥控器控制机器人； 8、行走速度可控、行走方向可控； 9、转弯方向可控、转弯角度可控； 10、图像采集功能，30 万像素的彩色摄像头； 11、4 组超声波模块，超声测距功能和蔽障功能。 12、自动寻声功能 II 成都理工大学创新教育基地 1、产品概述 本多智能体教学机器人系统采用了多传感器融合技术较好的实现了寻光，巡 线，避障，轨迹跟踪与全局定位等功能。整个体系涉及到了光机电一体化技术的 融合，还包括了机械结构的设计、加工和组装，电路板的设计、传感器的综合布 局、无线数据传输网络的硬件构建。并附有完整的上位机监控软件、无线数据传 输网络的软件和机器人的固件程序，组建了无线数据通信网络，实现了在 PC 机 对机器人的实时无线监控和多机器人之间的任务调度。 组成了一套具有独立自主 完成特定任务，且机器人之间或机器人与 PC 机之间能够进行信息共享的多智能 体教学机器人系统。 RobotWin 机器人主要面向普通高校、 青少年活动中心等机构， 由核心 MCU 模 块、电机驱动模块、传感器模块、机械模块、传动机构、充电器等配件部分组成， 全部机械模块采用铝合金材料加工，柱体结构，坚固耐用，加工方便，非常适合 高校学生做一次创新设计制作和二次扩展开发。同时，该产品积累了亚太大学生 机器人大赛、全国大学生足球机器人大赛等大型事务机器的大赛的实战经验。设 计科学合理，布局规范，传感器安置合理实用，功能强大，外形美观大方。同时 还考虑到了二度开发和功能扩展，在主控板上留有足够的扩展空。是经得起实战 的考验的适合于学习和研究的机器人。单个 RobotWin 能完成寻轨、自动避障、 音乐播放、速度闭环反馈控制（有光电编码器）、与计算机或其他机器人数字通 信等功能。多个 RobotWin 组合可形成一个由计算机实时控制的机器人战队或一 个多个机器人之间相互通信协作工作完成特定任务的无人为干涉的智能团队， 例 如完成机器人足球赛等。 我们的机器人可以为学习者提供一个完全开放自由的学习环境和条件，不 像其它的一些机器人用的都是一些现成的模块拼凑成的机器人， 使用或学习的人 只能学到很少的东西， 上层的东西。 不能让学习者真正学到或体会到底层的东西。 例如直流电机的驱动，很多机器人都是采用的专用的驱动芯片，这样学习者就不 能真正体会“死区时间”、“环流”、“PWM调制控制”等的内涵。而我们的机 器人采用的是分立元件搭成的电路，是经过了实战考验过的驱动电路。我们给出 了详细的原理图和驱动原理的详细说明， 可以让学习者真正了解微型直流电机到 底是怎么驱动和控制的。 2、产品介绍 2.1、RobotWin 单机机器人使用说明 2.1.1 电气部分 2.1.1.1 MCU 模块 采用的主控 MCU 是 AVR 公司的高性能单片机 Atmega64，电路板分上下两 层。 上层电路板是机器人控制的的核心， 同时也是一块功能强大的单片机学习板。 1 成都理工大学创新教育基地 下层板主要包括了电源模块、电机驱动模块和十几个红外传感器，板子布局时前 半部分是弱电部分，后半部分基本是强电部分，强弱分离以增强抗敢扰能力。上 下层板的对接是通过四排插针和插孔完成的，连接简单但接触效果良好，使上下 层板浑然一体，组成了完整的机器人控制、检测、指示和显示控制等电路。 上层板电路图： 2 成都理工大学创新教育基地 主控 CPU：ATmega64； 人机界面： 4X4 的矩阵键盘： 矩阵的 8 个端点直接与单片机的 8 个口线连接， 不需要加任何的上拉电 阻之类的元器件，近一步减小电路板的体积和布线难度。它可以完成所有的 输入信息和控制命令，在弹机器人的编程学习过程中，通过键盘控制可以测 试自己编写的程序到底效果怎样，在所有子程序联调时，可以用不同的按键 检测不同的子程序的工作效果，直观而方便； LCD1602 显示： 两行 16 字的显示液晶基本上够机器人的显示需求，当显示不够时，我 们可以通过软件来解决，比如结合按键实现菜单的上翻和下翻来增加显示， 为节约点片机的 I/O 口线资源，我们采用了四线驱动方式，与 8 线驱动的区 别在于初始化液晶显示模块时，先声明是 4 位总线模式（送控制字为 28H， 原来 8 位总线的是 38H） ，发送显示的数据时，原来一次就送 8 位的，现在 要分两次送出，先高 4 位后低 4 位，其他的和 8 位的差不多。 蜂鸣器： 3 成都理工大学创新教育基地 可以播放音乐，通过它学习音乐程序的编写，可以有两种方式编写音乐 程度：一种是直接用一个 I/O 口不占用 MCU 内部资源的方式；一种是利用两 个定时器来实现的；两种方式各有优缺点，学习者可以在实践中体会，我们 也有现成的实例供学习者参考； 电源指示灯（红色） ： 用来显示机器人是否正常上电； 3 个测试指示灯： 作为学习板时，可以用来调时流水灯程序；作为机器人时，既可以作测 试程序用，也可以用来显示机器人工作状态用。 无线数传模块： 参数 数值 工作频率 2400MHz2524MHz 调制方式 GMSK 最大发射功率50 +20dBm 接收灵敏度0.1%BER 1000Kbit/s -85dBm 最高通信速率 1000Kbit/s 工作电压 2.73.6V 发射电流（峰值） 约80mA+20dBm 接收电流（峰值） 约15mA 实现机器人与机器人或机器人与计算机之间的实时数字通信， 从而有效 实现多机器人协作工作，实现更高的智能化和人性化。 红外蔽障： 4 成都理工大学创新教育基地 在机器人的前方左右各一个红外接收头，中间有一个发射头，可同时 测试左前方、右前方或正前方是否有障碍物。另外通过软件还可以实现红外 测距功能。 在单个机器人的测试运行中可以学习红外蔽障的原理和具体实现 方法，也可以学习红外测距的原理和方法。在多机器人协作工作时，可通过 红外蔽障实现机器人之间的全自动避让和协调工作。 ISP 下载接口： 在线编程， 使用方便， 价格便宜， 制作简单方便。 下载软件可以用SL-ISP 或Ponyprog2000等。 晶振插座： 由于在使用的内部振荡器时，AVR 单片机在外部强干扰下会出现榕丝配 置出错的现象，这是就需要借用外部晶振对其进行修复，使用一个晶振 插座就相当方便。 拨码开关： 当程序较大而且复杂时，可用拨码开关作为程序选择开关。比如在红蓝 双方的对抗赛中，事先不知道自己是红方还是蓝方，只有在比赛开始前才知 道，这时如果使用拨码开关就相当方便的选择事先编好的蓝方或红方程序。 在多机器人的协作比赛中，可用拨码开关对机器人进行编号，因为只有 4 5 成都理工大学创新教育基地 位， 所以最多能同时对 24=16 个机器人编号， 足以满足一般的机器人比赛了。 扩展空： 在液晶的下面有 150 多个扩展空，是专门针对功能扩展用的，方便学 习者作进一步的学习和开发。 下层板电路图： 6 成都理工大学创新教育基地 电源管理模块： 通过电源芯片 lm2575-5.0 提供稳定 的+5V 电压给单片机和弱电部分供电； 还有一个强电开关， 起到断开强电的 作用。因为在程序下载时，单片机的 I/O 口的变化是不定的，实践证明，当 整个系统都供电时， 下载程序到单片机中的过程中有一小段时间电机会沿着 某个未定的方向快速的转一会儿，这将带来不方便又浪费电能。所以，在此 我们加了一个断开强电的开关。 直流电机驱动模块： 7 成都理工大学创新教育基地 两路 PWM 波经过两个模拟开关变成两组对称的 PWM 波分别控制两个 电机。例如 PWM_L 经过模拟开关转换后，得到一组方向完全相反的 PWM 波 ML1 和 ML2，再经过光电耦合器送到 H 桥驱动电路。这里的 H 桥是由 四个 MOS 管搭成的，驱动与控制在物理上隔离，驱动功率大。 红外循线传感器模块： 红外传感器采用的是 ST188，使用方便，效果较好。 光敏传感器： 光敏传感器由四个光敏电阻组成，在不同强度的光照下，光敏电阻的阻值在 10K数 M 欧姆之间变化，再通过 A/D 采样得到光强值，由于光敏电阻的变化范 围大，而 mega64 的 A/D 采样范围又只能在 0V2.65V 之间，所以，在上面串连 了一个稳压二极管，再加一个分压电阻，使得光敏电阻在不同光强下，A/D 采样 值都不会超过测量范围。 光电编码器： 为了节约成本我们采用的是简易的自制的光电编码器，64 等分的码盘（有 专门编写的码盘软件）贴在了轮子的内侧。当轮子转动时，光电传感器就检测到 了黑白条文的变化，从而输出高低脉冲。对这些脉冲进行计数，就能得到电机的 实际转动速度，从而可以计算出机器实际的运动速度。 8 成都理工大学创新教育基地 2.1.2 机械部分： 机械结构简单紧凑，组装方便。各组成部分都是柱体结构，所以直接用车床 就可以加工。 2.1.2.1 车轮 2.1.2.2 电机座 9 成都理工大学创新教育基地 2.1.2.3 横轴 2.1.2.4 万向轮 2.2、RobotWin 无线传输网络 2.2.1 通信方式： 采用的无限数传模块是 PTR6000，传输速度快，传输距离远，效果好。能 够满足机器人与机器人、机器人与计算机之间的实时数据传送。 10 成都理工大学创新教育基地 2.2.2 传输协议： 机器人之间和机器人与计算机之间的无线通信网络是基于无线数传模块 PTR6000 来完成的。通信协议是无线网络中无线收发模块与上位机或 PC 机之间， 进行信息交换的一组约定和规则。 参照通讯网络互联的标准7层模式，针对实际模块与上位机交互特点，提炼 成4层通信模型，（参见图3-1），具体说明见表3.1. 图3-1 PTR6000四层通信协议模型 注：本协议照了杭州中正生物认证技术有限公司的 SM-6X 系列指纹识别模块用户手册中的协议来完成的。 表3-1 通信协议分类表 层次 协议内容及任务 应用层 面向应用程序，为应用系统提供标准接口、流程等 表示层 将上位机和模块各自的内部状态和要求， 表示成可以理解并加以执行的一 组规则。包括模块工作状态表示、指令执行结果表示。 链路层 包结构、封装；数据传输校验；通信状态、通信流程及可靠性监控。 物理层 模块上上位机之间物理通信介质，传输速率。 本协议假定物理层与链路层的数据传输可靠。数据传输的正确性，通过应答 包中的校验和反映。上位机依据模块发来的应答信息，来确认模块接收、以及执 行指令的情况。 在大部分情况下， 应答由单个应答包完成， 对于特殊指令的应答， 须跟后续应答包。 2.2.3 硬件设计 在实际物理实现上，采用 mega8 作为无线通信的控制协调芯片，它既要完成 与计算机串口的实时通信又要完成与机器人之间的无线数据通信，实物电路图如 下： 11 成都理工大学创新教育基地 图3-2 上位机无线通信模块原理图和实物图 这里的任务比较繁重， 因为它同时要处理来自计算机串口的数据和机器人通 过无线数据传输模块发送过来的数据。 在这个过程中就存在两边的数据同时到来 的问题，这样怎么解决数据冲突就成为了问题的关键。我是利用了无线数据传输 模块具有自动重发这项功能来解决这个冲突的，因为重发需要一定的时间，我可 以利用这个间隙处理计算机串口的数据，然后再处理空中的无线传输的数据。 2.2.4 传输协议制定与软件设计 1 物理层物理层 通信基础：本设计的无线通信网络的实现是基于PTR6000的。其特点简单描 述如下： 1、2.4GHz全球开放ISM 频段，最大0dBm 发射功率，免许可证使用； 2、支持六路通道的数据接收； 3、低工作电压：1.93.6V低电压工作； 4、高速率:2Mbps，由于空中传输时间很短，极大降低了无线传输中的碰撞现 象； 5、多频点：125 频点，满足多点通信和跳频通信需要； 6、超小型：内置2.4GHz天线，体积小巧，15x34mm（包括天线）； 7、低功耗：当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的 降低了电流消耗； 8、低应用成本：PTR6000 集成了所有与 RF 协议相关的高速信号处理部分，比如：自动 重发丢失数据包和自动产生应答信号等， PTR6000 的 SPI 接口可以利用单片机的硬件 SPI 口连接或用单片机 I/O 口进行模拟，内部有 FIFO 可以与各种高低速微处理器接口，便于 12 成都理工大学创新教育基地 使用低成本单片机。 2 链路层2 链路层 链路层协议规定了包结构、封装；数据传输校验；通信状态及可靠性监控；通信流程控 制。 3 包格式包格式 模块与上位机、PC 机的交互信息，以通信包 packet 为基本单位在链路层内 传递。数据包分为两类：命令包与数据包。 命令包 表 3-2 命令包格式 1byte 4bytes 2bytes 2bytes 包标识 01 设备地址码 包长度 参数 1参数 2参数 n 校验和 数据包 表 3-3 数据包格式 1byte 4bytes 2bytesN bytes 2bytes 包标识 02 设备地址码 包长度数据 校验和 结束包 表 3-4 结束包格式 1byte 4bytes 2bytesN bytes 2bytes 包标识 08 设备地址码 包长度数据 校验和 4 编解码和校验编解码和校验 发送端（编码） ） 1、数据包以0 xc0作为起始符和结束符。 2、如果包内部含有0 xC0字符，则代之以0 xDB和0 xDC这两个字符。 3、如果包内含有0 xDB字符，则在其后加0 xDD字符。 4、数据包不能单独进入执行流程，必须跟在指令包或应答包后面。包长度为 包内容（指令、参数或数据）的字节数。 接收端（解码） 1、接收方收到 0 xC0 字符则判为帧界符。 2、收到 0 xDB 后跟 0 xDC,则代之以 0 xC0。 3、收到 0 xDB 后跟 n 个 0 xDD，则删去一个 0 xDD 字符。 4、校验和是数据包编码前从包标识至校验和之间所有字节之和，超出 2 字节 的进位忽略。 5 帧接收与解码帧接收与解码 帧数据的接收和解码，由 UART 中断服务程序中实现（帧发送，通过调用子 函数完成） 。该 UART 中断服务程序包括：接收一个字符的解码；接收整帧后的解 码及校错、本帧处理后的应答等项事务；UART 中断服务程序允许嵌套，但不允 13 成都理工大学创新教育基地 许相同任务超前。 对于与计算机相连的无线收发模块而言，不但要处理串口的信息，同时还要 处理无线收发模块接收的空中信息。这是一个复杂而需要相互协调的过程。所以 单片机的任务比较繁重，需要在软件中巧妙的解决冲突问题。 图 3-3 上位机无线通信网络框图 3、典型示例 目前已经完成了机器人的自动巡 线，自动寻光、红外避障、路径录制 和路径回放等功能。 其他的功能可以 根据自己的实际情况发挥。 自动巡线测试： 测试中采用的是 具有广泛代表性的“8”字形黑线， 线宽为 2 厘米， “8”字高 1 米宽 0.4 米， “8”字是用黑色电工胶布在白色 图 机器人巡线算法 的底板上贴制而成的。 实测中机器人 巡线行走的轨迹相当平滑，与“8” 字之间的拟合非常的流畅。 自动寻光测试： 事先将机器人放 到一间黑屋子里， 然后启动机器人的 自动寻光功能，打开一只手电，让手 电光在机器人周围晃动， 这时机器人 就会转向手电筒光线照射最强的地点， 图 机器人寻光 实测中机器人对光的跟随性非常好，也很流畅，具体可以右边图片。 红外避障测试：用很多纸箱围成一个不规则的空间，这个空间的面积大约 3 平方米，在这个空间中还放有一些杂乱的障碍物，并留有一个刚好能让机器人通 14 成都理工大学创新教育基地 过的“门”作为出口。启动机器人红外避障功能之后机器人就利用其前端的两个 红外发射器和一个接收器进行红外避障算法的实现了。 录像中您可以看到机器人的蔽障 效果还是不错的， 并且机器人很快就找 到了出口，离开了布满障碍的房间。 路径录制和路径回放测试： 这里是 借鉴了示教机器人的思想， 让机器人实 现路径的录制和回放功能。 首先让机器 人做一小段循线记录， 这段线是长度大 约 1 米的弯曲不规则的黑线,在巡线过 图 机器人避障 程中机器人就记录下了行走的这段路径，然后让机器人离开这段黑线，机器人就 会按照刚才黑线的轨迹再次将行走过程回放一遍。 4、相关图片 15 成都理工大学创新教育基地 5、软件部分 5.1 软件框图. 16 成都理工大学创新教育基地 5.2 子程序功能. send_speed(ushort vl,ushort vr) 功能：把设定的两轮速度值传给 MCU 控制电机转速，从而实时控制轮子的速度， 轮子的直径为 8.4cm，编码盘上的黑白条纹各为 32 个，两轮子之间的距 离为 13.16cm。 参数：vl：设定的左轮的速度值 vr：设定的右轮的速度 返回值：无 dis_lcd(uchar x,uchar y,ushort num) 功能：在 LCD 的指定位置（x，y）处显示一个 16 位的数； 参数：x：显示的起始列 y:显示的起始行 num：要显示的 16 位的数 返回值：无 Void speed_read(void) 功能：读取两轮的实际速度，采用的是状态机方式读取脉冲的变化，轮子每转一 圈则有 64 个脉冲计数。每个脉冲对应的实际前进距离是固定的，从而可 以得到轮子的实际速度。 参数：无 返回值：无 key_scan() 功能： 对键盘进行一次扫描， 如果有按键动作则把扫描结果放到全局数组 rlt4 中。每