單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：單兵作戰(zhàn)用機器人方便攜帶、操控簡單、可代替人類到達危險環(huán)境作戰(zhàn)。機器人通過無線電臺接收遙操控終端發(fā)送的控制指令，按照指令行動；同時機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器人，并實時掌握機器人的狀態(tài)信息。文中詳細介紹了單兵作戰(zhàn)用機器人的控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：單兵作戰(zhàn)；機器人；控制系統(tǒng)；DSP

    單兵作戰(zhàn)用機器人體積小，方便單兵野外作戰(zhàn)時攜帶，可完成偵察、作戰(zhàn)、排爆等任務(wù)。機器人能夠代替人類到達不方便到達或危險的環(huán)境，確保了士兵的安全。車體是履帶式設(shè)計，行動平穩(wěn)。

1 單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
    為了實現(xiàn)士兵對機器人的實時控制，需要配合使用遙操控終端。機器人與遙操控終端的工作原理如圖1所示。

    遙操控終端通過按鈕、開關(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)定的格式通過串口發(fā)給無線電臺，無線電臺將該數(shù)據(jù)發(fā)送出去；機器人控制系統(tǒng)的無線電臺接收到來自操控終端的控制指令后，按照操控指令控制機器人運動、武器擊發(fā)，同時機器人控制系統(tǒng)采集機器人的GPS位置、電池電量、超聲波避障信息等，把機器人信息打包后通過機器人上的無線電臺發(fā)送給遙操控終端的電臺，遙操控終端接收到機器人信息后，將其顯示在人機界面上，以備士兵隨時掌握機器人的實時信息。
    單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(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TI公司推出的C2000平臺上的定點32位DSP芯片，主頻150 MHz、處理性能可達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。同時片內(nèi)具有128×16位的FLASH存儲器和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56個復(fù)用I／O引腳。

    單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(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。

    超聲波避障信號用于探測機器人前方0．5 m內(nèi)是否有障礙物，如遇到障礙物，機器人可自動轉(zhuǎn)彎避開。武器擊發(fā)開關(guān)用于機器人上武器的擊發(fā)控制，手電開關(guān)用于機器人上手電的開關(guān)控制，攝像頭廣窄角選擇用于機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個通道，模擬電壓的輸入范圍是0～3 V。這里用了其中的2個通道，分別用來測量機器人上的2塊24 V鋰電池的電量。圖3中電量測量電路分為3個部分：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以內(nèi)，防止電源電壓意外浪涌時損壞DSP的A／D轉(zhuǎn)換端口。2路24 V電池電壓分別經(jīng)過2路電量測量電路后，輸入到DSP的ADCINA0、ADCINA2兩個端口，根據(jù)采集到的電壓值，可計算當前電池的電壓，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，用來確定當前機器人的位置信息；串口2連接機器人電臺，實現(xiàn)與遙操控終端電臺的無線傳輸。機器人電臺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，遙操控終端的工作人員即可接收到機器人附近的視頻、音頻信息。
1．4 電機控制
    機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)由左履帶電機和右履帶電機控制。機器人上的武器通過做上下、左右調(diào)節(jié)來瞄準目標。
    DSP的XINTF是其外部接口，這里使用了XD0-XD11共12根數(shù)據(jù)線，經(jīng)過電平轉(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控制器，分別控制機器人左履帶電機、右履帶電機、武器上下調(diào)節(jié)電機、武器左右調(diào)節(jié)電機。
    當電壓為2．5 V時，電機停轉(zhuǎn)；電壓小于2．5 V時，電機反轉(zhuǎn)；電壓大于2．5 V時，電機正轉(zhuǎn)。對于左履帶和右履帶，通過輸出的控制電壓，可實現(xiàn)車體前進、后退的無級變速，以及左、右轉(zhuǎn)彎的運動控制。
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。機器人內(nèi)置2組24 V供電電池。第1組24 V電池為左履帶電機、右履帶電機、武器上下調(diào)節(jié)電機、武器左右調(diào)節(jié)電機供電。第2組24 V電池經(jīng)過DC／DC模塊．轉(zhuǎn)換成12 V電壓和5 V電壓。12 V電壓用來給機器人上的無線電臺供電。5 V電壓為控制電路供電，同時經(jīng)過電源轉(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DSP芯片供電電壓是否正常，增加了電壓監(jiān)控電路，當DSP芯片供電不正常時，可將此故障報送到電臺發(fā)送到遙操控終端。

2 單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(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，初始化完畢開始與遙操控終端軟件進行通信，握手成功后，開啟軟件定時器、中斷，定時采集機器人信息，包括超聲波避障、電量測量值、GPS信息。

    當串口2即機器人無線電臺出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)中斷時，表明接受到來自遙操控終端的控制數(shù)據(jù)，此時處理器進入中斷服務(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器人信息按照預(yù)定格式發(fā)送到串口2，通過機器人無線電臺發(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端口，實現(xiàn)遙操控終端的控制指令，包括武器擊發(fā)開關(guān)、手電開關(guān)、攝像頭廣角窄角切換、左履帶電機轉(zhuǎn)動方向和速度、右履帶電機轉(zhuǎn)動方向和速度、武器高低轉(zhuǎn)動方向和速度、武器左右轉(zhuǎn)動方向和速度。

3 結(jié)束語
    單兵作戰(zhàn)用機器人便于攜帶、操控簡單、可廣泛應(yīng)用于軍隊、武警部隊。文中所設(shè)計的單兵作戰(zhàn)用機器人控制系統(tǒng)實時性高、設(shè)計合理，理論試驗驗證可行，在實際應(yīng)用中得到了用戶的認可。