机器人无线通信系统设计毕业设计

常州工学院学士学位论文PAGE目录TOC\o"1-1"\h\z\u第一部分设计任务与调研 3第二章设计说明 6第三部分设计成果 18第四部分结束语 22第五部分致谢 23第六部分参考文献 24第一部分设计任务与调研1选题的背景及意义多机器人系统的研究始于20世纪70年代。随着机器人应用领域的不断拓展、机器人工作环境复杂度、任务的加重，对机器人的要求不再局限于单个机器人，多机器人的研究己经成为机器人学研究的一个热点。多机器人系统不是多个单机器人的简单堆砌，而是多个机器人的有机组合，它有效的避免了单机器人的不足，充分发挥了群体机器人的优势。与单机器人相比，多机器人系统具有以下特点适合完成复杂任务:对于可分解的复杂的任务及大范围的环境，利用多机器人系统，可把复杂的任务分解成多个简单的子任务，利用多个机器人协调工作，可以有效地完成任务，这比单个机器人顺序的完成所有的子任务要快得多;2)时空分布性:多个机器人可分布在不同的区域内同时作业，也可在不同分布时间内执行任务，可提高完成任务的效率;3)功能分布性:在多个机器人中，机器人的功能可以不同，它们的目标任务不同，但它们可协调工作;4)感知分布性:在一个区域较大的环境中，多个机器人分布在环境中，各自感知周围的环境，通过共享感知到的信息，大大扩展了机器人系统对环境的感知范围。通过成员之间的信息交换，多机器人系统可以更有效和更精确地进行定位，这对于野外作业的机器人尤其重要;5)较高的系统可靠性:采用多机器人系统可以将其中的各个成员设计成完成某项任务的“专家”，而不是设计成完成所有任务的“通才”，这大大降低了单个机器人设计复杂度，提高了单个机器人的可靠性。而机器人数量上的冗余，也能提高整个系统的可靠性，不会因为个别机器人的故障导致整个系统的瘫痪。对于由多个个体机组成的群体系统，通信是必不可少的。本次设计是以C51单片机为主用以通信的。2研究现状自80年代以来，多机器人系统受到国内外普遍的关注。近年来，在IEEER&A,IROS等著名的国际机器人学术会议上，几乎每次会议都有多机器人系统通讯的专题。一些机器人学术刊物出版了有关多机器人系统的专刊。许多研究机构都开展了这方面的研究，代表性的研究项目有:CEBOT系统[4]}MARTHA系统[7]、G.Beni研究的SWARM系统[5]等系统。Fukuda研究的CEBOT{CellularRoboticSystem)被认为是对机器人团队协同工作的首次尝试。它是一个自组织的机器人系统。它由众多的、功能简单的、被称为细胞元((cell)的单元组成。CEBOT能够根据特定的任务和环境来重组织自身，并能够形成集体的或者说是大量的智能[[4]0MARTHA“用于搬运的多自主机器人系统(multipleautonomousrobotssystemfortransportandhandingapplication)”是欧盟设立的一个专门进行多机器人系统研究的课题。它计划组建一支由10到100个自主移动机器人组成的庞大的搬运队伍用于在港口、机场等地完成搬运工作。MARTHA的一个研究目标就是使机器人群体在一仿真实验验证了协议的可行性同时比较了它与AODV的性能差别。个开放的环境下工作而尽可能少的用到中心控制。目前，他们正在研究如何使机器人在应对突发事件和障碍时具有更高的自主性。多机器人的通讯问题是其中的关键。因此，他们正在对多机器人的通讯问题进行深入研究，寻求较好的解决方案。从理论上讲，多机器人通信(multiplemobilerobotscommunication)就是多点对多点的通信，它是由多个机器人组成的局域通信网。目前，很多机构都根据多机器人通信系统体积小、功耗低的特点，对有线局域网、无线局域网和自组网做适当的改进来组建多机器人通信网络。有线局域网和无线局域网技术在工业机器人领域己经得到广泛应用。自组网作为一种新型网络，也开始受到机器人研究机构的重视。CMU的机器人研究所己经开始尝试使用自组网来解决他们的多机器人的通讯问题并展开了相关研究。当前，自组网的研究成果主要集中在美国。CMU的MONARCH工程组对自组网进行了深入研究，提出了一些权威的路由协议如DSR，并对目前主流的网络模拟器ns进行了扩展，使其能更好的用来测试、评价自组网路由协议。目前MONARCH工程组己经建立起了移动自组网的实验床[[30]。他们的实验床由5个移动车载节点和两个固定节点组成。他们使用实验床对DSR协议进行了实验分析[[36)。此外，CharlesE.Perkins和ElizabehtM.Royer提出的另一种自组网路由协议AODV己经成为RFC草案。另外，IETF(因特网工程任务组)也己经成立了专门的研究小组—MANET工作组，负责移动自组网的相关协议的标准化工作。此外，欧洲也己经开始考虑将自组网作为中继，以扩大第二代和第三代移动通信系统的覆盖范围，提高在网络或链路故障时系统的健壮性，目前己经建立了A-GSM实验系统。3调研的目的和总结机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。随着科学技术的发展，机器人的能力不断提高，其应用领域和范围也不断扩展．例如对于复杂的应用项目，足球机器人比赛、远地作业、震后搜索与营救、自动仓库管理、清除危险区域等项目，机器人都起到了不可忽视的作用。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。设计本机器人无线远程控制系统我们的目的是利用51系列单片机Atmel89C51和PTR8000无线数据传输模块以及VB串口通信设计和开发一个简单的可无线遥控的玩具机器人，使之能按照机器人操作者的意志通过单片机键盘或电脑软件远程无线控制机器人完成一些简单的动作。第二章设计说明1设计简介我们所设计的机器人远程无线控制系统有两大部分、四大模块。四大模块即单片机系统、PTR8000无线通信模块、H桥驱动电路和上位微型计算机。本次设计的核心部分——无线通讯是基于模块PTR8000而完成的。围绕PTR8000我们设计了发射和接收两大部分，其中发射部分的功能实现的是将操作者的控制指令发送出去，接收部分是接收发射端发出的控制指令并依据接收到的控制指令控制机器人做出相应的动作，机器人的动作实际上是通过控制两个直流电机转向和转速来实现的。发射部分的设计方案又有两种。其一是典型的上下位机的框架结构，微机属于上位机，操作者利用编制好的上位机控制软件将欲发给机器人的控制指令发给下位机单片机系统，单片机系统再将接收得到的上位机的数据传给PTR8000无线收发模块从而将数据发送出去。其二是带键盘的单片机系统框架结构，在这种结构中，单片机与键盘构成人机接口，单片机以查询方式扫描键盘看有无键被按下，若有键按下，单片机则读取键值，并通过PTR8000无线收发模块将读出的键值发送出去，从而控制机器人的动作。本系统的完整设计框架如图2-1所示：键盘键盘51系统微机（上位机）PTR8000无线收发模块PTR8000无线收发模块51单片机系统驱动电路机器人（电机）接收部分发射部分图2-1系统整体框图2PTR8000器件引脚功能 PTR8000是基于NRF401器件的无线数据传输模块，采用低发射频率、高灵敏度设计。该器件使用433MHz频段，是真正的单片UHF无线收发一体器件，其工作模式包括工作频道的设置和发送、接收、待机状态，由TXEN、CS、PWM3个引脚共同决定，其工作模式设置如表2-1所示。表2-1PTR8000工作模式TXENCSPWR工作频道号芯片状态0011接收0112接收1011发送1112发送**0待机2.1PTR8000模块设计该器件外围的主要电路有以下两个：(1)与单片机的连接电路单片机AT89C52的RXD和TXD引脚与PTR8000模块的DO和DI引脚直接相连。PTR8000的模式控制引脚与单片机的控制引脚相连。(2)与PC机的连接电路采用MAX202器件对PTR8000模块和计算机串口进行RS-232和TTL电平转换，将PTR8000与MAX202的输入和输出信号连接，转换后的信号与计算机的串口连接。在无法使用有线传输的场合，采用无线数据传输模块和单片机相结合进行数据传输是较合理的方案。PTR8000利用串口进行数据传输，而单片机和PC机均带有串口，因此，可利用PTR8000作为单片机和PC机之间数据传输的无线接口，其硬件结构框图如图2-2所示。数据采集数据采集单片机无线传输模块天线传输模块PC机图2-2系统硬件结构框图3接收模块设计接收部分主要完成接收发射部分送出的指令，并根据接收的指令控制机器人做相应的动作即驱动机器人两足的电机以不同方式配合转动。接收部分由51单片机系统、PTR8000无线通信模块、驱动电路和机器人电机几个模块组成,主要完成在单片机系统的控制下通过PTR8000接收发射部分送出的指令，并根据接收到的指令通过驱动电路控制机器人做相应的动作即驱动机器人两足的电机以不同方式配合转动。接收部分总体原理图2-3所示：图2-3接收部分单片机系统3.1接收部分硬件设计

本系统接收部分硬件主要包括了单片机系统、PTR8000无线通信模块、驱动电路三大模块。无线通信模块和驱动模块是该部分的重点。3.11PTR8000无线通信模块硬件接口设计PTR8000是讯通电子科技有限公司推出的以nRF905为内核的无线数传模块，它体积小，性能稳定，具有430／868／915MHz多频道多频段可供用户选用。PTR8000无线通信模块电路图2-4所示。PTR8000的基本电气特性如表所2-2示：PTR8000PTR800051系列单片机驱动电路机器人脚部电机图2-4机器人无线控制系统接受部分原理图表2-2PTR8000的基本电气特性参数数值工作电压19.36最大发射功率11输出功率为—1&时工作电流11接收模式时工作电源125温度范围-41℃+85掉电模式时工作电源25=1\*GB2⑴工作模式控制由TRX_CE、TX_EN、PWR三个引脚控制PTR8000的四种工作模式：掉电和SPI编程模式、待机和SPI编程模式、发射模式、接收模式。工作模式的控制如表2-3所示。PWRTRX/CETE/EN工作模式0XX掉电和SPI编程模式10X待机和SPI编程模式110接收111发射表2-3工作模式的控制=2\*GB2⑵SPI接口SPI接口由SCK、MISO、MOSI、以及CSN组成，主要完成两部分工作：*在SPI编程模式下单片机通过SPI接口配置PTR8000的工作参数，主要是对PTR8000的RF配置寄存器的设置。在发射模式下单片机按照SPI接口时序要求将发送数据写入PTR8000的发送寄存器中，接收模式下单片机将PTR8000接收到的数据通过SPI接口读入接收缓冲区。=3\*GB2⑶状态输出端口载波检测输出CD、地址匹配输出AM和数据就绪输出DR，其中DR至关重要是判断是否发送和接收的标志。在本系统中PTR8000的10个数字输入/输出引脚分别与单片机的各个IO口相接。本系统中PTR8000与51单片机的接口关系如如图2-5所示：如图2-5PTR8000与单片机引脚连接示意图3.12桥式驱动电路设计H桥式电路是一种最基本的驱动电路结构。可利用单片机的逻辑电平输出控制该桥式电路的导通方式从而控制电机的正反转，桥式电路中各三极管均作为开关管使用。3.2接收部分软件设计3.2.1PTR8000的SPI配置PTR8000内置完整的通信协议和CRC，只需要通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。换言之，当利用PTR8000进行无线通信时，不必考虑具体的通信协议等，我们只需当两块相互通信的PTR8000以SPI连接进行通信即可，PTR8000的指令设置和寄存器设置均采用SPI方式进行设置。3.2.2接收部分程序流程图本无线通信系统的软件部分主要包括初始化配置、发射和接收3个主要模块。在3个模块中，配置模块是整个系统软件的基础，发射和接收的配置程序基本相同。软件设计过程中一定要注意以下几点：Ⅰ.在接收模式中，一定要将接收节点的地址(TX_address)和有效数据TX_payload)通过SPI传送给PTR8000；Ⅱ.接收芯片的地址一定要同发射芯片的TX_address设置的地址相同，否则接收芯片将不能与发射芯片建立通信。本机器人无线控制系统接收部分的程序流程图如图2-6，图2-7所示。开始开始初始化PTR8000模块，配置RF寄存器接收有效数据了吗？读PTR8000接收到数据步进？步退？左转？右转？快进？快退？做出相应的动作NY如图2-6接收部分系统总体流程图NN待机模式PWR=1，TXEN=1，TRX-CB=0SPI编程TRX-CE=1？CD-1？DR=1？TRX-CE置低，读取数据结束NN如图2-7PTR8000接收模块流程图4发射模块设计发射部分由51单片机系统、PTR8000无线通信模块、上位微型计算机三大模块以及单片机键盘组成,主要功能是提供机器人控制系统的人机接口，发送控制指令至接收部分。发射部分总体原理图如图2-8所示：PC机（上位机）PC机（上位机）RS232接口模块51系列单片机（下位机）PTR8000键盘图2-8发射部分总体原理图本次设计的发射部分总体电路图如图2-9所示，其中无线通信模块PTR8000电路部分同接收部分。图2-9发射电路图4.1发射部分软件设计发射部分PTR8000的软件设计原理同接收部分，这里主要论述利用MicrosoftVisualBasic6.0实现上下位机串口通信的原理和51单片机串口通信原理。4.1.1上位机VB串行通讯在VB的控件工具箱中，提供了一个使用非常方便的串行通讯控件MSComm，它全面的提供了使用RS-232串行通讯上层开发的所有细则，它既可以使用查询方式又可以使用事件驱动方式来完成串行通讯。在MSCOMM控件中提供了一系列的编程要素，这些编程要素有属性、事件和函数，利用这些要素编程，可以实现几乎全部的串行通讯功能。在VB中提供了30多个属性、一个事件和两个函数，其中主要的属性为CommPort、Settings、PortOpen、InBufferSize、OutBufferSize、InBufferCount、OutBufferCount、Break、InputLen、SThreshold、Rthreshold、RTSEnable、CommEvent等。实际应用中，一个MSCOMM控件就对应一个串行口，所以如果要处理多个串行口的话，必须有相应数量的控件与之对应。下面介绍一下此控件的主要属性：CommPort设置或者返回串行端口号Settings用来设置和返回波特率，奇偶校验，数据位和结束位PortOpen设置或者返回通讯端口的状态，也可以打开和关闭一个端口Input从接受缓冲区里获取或删除数据Output给发送缓冲区里写数据控件MSComm提供了一个事件OnComm，该事件可以截取串口的任何消息，转入事件处理程序。4.1.2发射部分下位机工作原理单片机通过串口与上位机通信发射部分下位机程序流程图如图2-10：有串口中断进入串口中断有串口中断进入串口中断从串口读数据通过SPI将数据输入PTR8000发送出去退出中断，返回现场开始初始化PTR8000和串口有键按下延时1s真的有键按下？读键值通过SPI将键值输入ptr8000发出去图2-10发射部分下位机程序流程图5串行无线通信协议设计无线通信中，由于外部环境的干扰，通常误码率较高，因此通信协议的设计对保证通信的可靠性十分重要。协议的设计主要是帧结构的设计，在该无线通信系统中，存在指令帧和数据帧。数据帧的内容包括起始字节、数据长度字节、数据字节、结束字节和校验和字节，如表2-4所示。起始字节定义为“$”字符，其数值为0x24；结束字节定义为“*”字符，其数值为0x2A。起始字节数据长度字节数据字节校验和字节结束字节1字节1字节N字节1字节1字节表2-4数据帧设置采用校验和的方法进行帧的校验，将所有字节相加，然后将结果截短到所需的位长。发送端对待发送的数据进行校验和计算，将校验和值放在数据后一起发送；在接收端，对接收到的数据进行校验和计算，然后与收到的校验和字节比较，进行误码判断。对于单片机，指令帧主要有3种：PC机发送给单片机的请求发送指令、错误／超时重发指令、单片机发给PC机的发送完毕指令。在该系统设计中指令帧采用数据帧的格式，将其中的。数据字节固定为一个字节，根据定义的字节判断数据状态。第三部分设计成果1原理图1.1发射部分发射部分PTR8000的软件设计原理同接收部分，这里主要论述利用MicrosoftVisualBasic6.0实现上下位机串口通信的原理和51单片机串口通信原理。图3-1单片机发射电路原理图1.2接收部分PTR8000内置完整的通信协议和CRC，只需要通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便。换言之，当利用PTR8000进行无线通信时，不必考虑具体的通信协议等，我们只需当两块相互通信的PTR8000以SPI连接进行通信即可，PTR8000的指令设置和寄存器设置均采用SPI方式进行设置。原理图如下图3-2图3-2单片机接收电路原理图2程序代码接收部分程序#include<reg51.h>#include<intrins.h>/*******/#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/*******/各种指令的宏定义#defineWC0x00//Writeconfigurationregistercommand…………/*******/设置各种与PTR800相关的数据结构typedefstructRFConfig{ucharn;ucharbuf[10];}RFConfig;…………/*******/sbitTX_EN=P2^6;//定义单片机与PTR8000的接口sbitTRX_CE=P2^5;…………/*******/定义驱动控制口sbitleft0=P0^0;…………/*******/voidmain(void){InitIO();//InitializeIOportInituart();//initialize232uartConfig905();//ConfignRF905moduleSetTxMode();//SetTxModeTxPacket();//TransmitTxbufferdataDelay(500);//delayforledlightP0=0xff;//ledcloseSetRxMode();//SetnRF905inRxmodewhile(1)//circulation{if(DR)//IfrecivedatareadyRxPacket();//recivedataandcontroltherobot}{以下是发射部分下位机示意程序

void

main(void)

{

InitIO();

//

Initialize

IO

port

Inituart();

//

initialize

232

uart

Config905();

//

Config

nRF905

module

SetTxMode();

//

Set

Tx

Mode

TxPacket();//

Transmit

Tx

buffer

data

Delay(500);//

delay

for

led

light

P0=0xff;

//

led

close

while(1)

//

circulation

Scankey();//

Scan

key

and

transmit

the

key

value

}

void

serial

()

interrupt

4

//transmit

order

from

PC

{

RI=0;

TxBuf[0]=SBUF;

TxBuf[0]=TxBuf[0]<<4;

SetTxMode();//

Set

Tx

Mode

TxPacket();

//

Transmit

Tx

buffer

data

}第四部分结束语最终本设计“机器人无线通信系统设计”能够稳定、可靠的控制距离在100米左右远处的机器人作出各种动作。本次设计有三大核心部分，一是基于NRF905的PTR8000无线传输模块的应用，二是微机与单片机构成的上下位机的通信问题，三是电机驱动问题。对PTR8000的应用使我们迅速掌握领先的无线设计应用。该设计的创造性在于将上位微型计算机通过无线传输模块与机器人联系起来，构成了一个复杂的和极具现实意义的远程终端无线操作系统。此系统可应用于各个行业的上下位机间的通信。本设计中，发射和接收部分PTR8000技术的成功，不仅可以应用于机器人控制，还可以广泛应用于遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象、信息家电、无线232、无线422/485数据通信等。本设计中微机与单片机构成的上下位机的通信的技术，可以广泛应用于工业数据采集，终端监控系统，远程控