基于CAN總線的遠(yuǎn)程遙控式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙成剛，韓向可

(安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 安陽(yáng) 455000)

移動(dòng)機(jī)器人是能在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的具有高度自主性的機(jī)器人。由于其較強(qiáng)的活動(dòng)能力、良好的可控性等特點(diǎn)，在制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的機(jī)器人傳感檢測(cè)系統(tǒng)與上位工控機(jī)常采用RS232/485等串行方式進(jìn)行信息傳輸，已經(jīng)不能適應(yīng)目前高可靠性、高實(shí)時(shí)性和開放性等柔性化機(jī)器人性能的要求。因此，設(shè)計(jì)了一種四輪驅(qū)動(dòng)式、基于CAN總線的遠(yuǎn)程遙控移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。

1 移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

整體系統(tǒng)由遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)、GPRS無(wú)線傳輸模塊和移動(dòng)小車三部分組成。系統(tǒng)采用PC機(jī)作為遙控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)小車軌跡控制、信息采集控制和人機(jī)界面顯示等功能。遠(yuǎn)程控制平臺(tái)與移動(dòng)小車之間的通訊采用GPRS無(wú)線傳輸收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控，如圖1所示。

機(jī)器人小車是系統(tǒng)的核心部分，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)，采用四輪驅(qū)動(dòng)、兩輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方式，每個(gè)輪子有一臺(tái)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；機(jī)器人環(huán)境信息采集采用超聲波傳感器和紅外測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)，分別安裝于小車四周，在移動(dòng)中對(duì)環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障導(dǎo)航；機(jī)器人控制系統(tǒng)分上下位機(jī)模式，如圖2所示；上位機(jī)負(fù)責(zé)與遙控平臺(tái)通訊，接受遠(yuǎn)程指令并根據(jù)下位機(jī)采集的環(huán)境信息，規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，向各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制信息；各下位機(jī)節(jié)點(diǎn)主要完成上位機(jī)控制指令的接收、環(huán)境信息檢測(cè)和電機(jī)速度或位置控制等。上下位機(jī)之間通訊采用CAN總線傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸安全可靠。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通訊模塊選用華為GPRS模塊GTM900C，雙頻高度集成模塊，通過(guò)串口與PC機(jī)相連。

上位機(jī)控制器和各CAN節(jié)點(diǎn)控制器均采用16 bit微控制器 MC9S12DP256，最高頻率達(dá) 25 MHz，8路 PWM模塊，內(nèi)嵌 CAN控制器，支持CAN2.0A/B，給本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大便利。CAN總線節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示，圖中82C250是控制器和物理總線間的接口，它提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送功能和對(duì)控制器的差動(dòng)發(fā)送與差動(dòng)接收功能，MC9S12DP256主要負(fù)責(zé)完成CAN協(xié)議的任務(wù)，完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，如發(fā)送緩沖、接收緩沖、接收濾波等。6N137為光耦，其作用為防止串入信號(hào)的干擾。

超聲波傳感器選用西門子XPS-10，測(cè)量距離0.3 m～10 m，發(fā)射頻率44 kHz；紅外測(cè)距傳感器選用夏普GP2D12，測(cè)量距離0.1 m～0.8 m。各個(gè)超聲波傳感器和紅外傳感器分別用一個(gè)控制器巡回檢測(cè)，采集數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸給上位機(jī)融合。

伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊由16 bit微控制器MC9S12-DP256、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器LMD18245和光電速度傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。MCU根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的決策指令和光電速度傳感器信號(hào)，通過(guò)PID算法，發(fā)出PWM調(diào)制信號(hào)給LMD18245控制電機(jī)速度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化，與遙控平臺(tái)通信和下位機(jī)CAN網(wǎng)絡(luò)間的通訊。在下位機(jī)通訊中，向紅外測(cè)距節(jié)點(diǎn)和超聲波測(cè)量節(jié)點(diǎn)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，得到機(jī)器人環(huán)境信息，并對(duì)信息融合，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)行軌跡；向電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀指令，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和速度等。

3.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件主要由電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序、超聲波測(cè)距和紅外測(cè)距三部分組成，其中超聲波測(cè)距程序與紅外測(cè)距程序結(jié)構(gòu)相同。電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制根據(jù)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀信息，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，發(fā)出PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)速度或位置進(jìn)行控制，電機(jī)速度和位置通過(guò)數(shù)據(jù)幀傳給上位機(jī)。超聲波測(cè)距程序根據(jù)上位機(jī)遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀信息，測(cè)量不同方位障礙物距離，并向上位機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)距離的數(shù)據(jù)幀信息。程序流程圖如圖4所示。

4 CAN通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

CAN協(xié)議是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上建立的，協(xié)議中規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。并由硬件電路實(shí)現(xiàn)，用戶需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)規(guī)定應(yīng)用層協(xié)議。系統(tǒng)采用CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)，11位標(biāo)識(shí)符，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)識(shí)符對(duì)報(bào)文濾波或接受，考慮實(shí)際情況規(guī)定主節(jié)點(diǎn)（上位機(jī)）優(yōu)先級(jí)最高，電機(jī)控制次之，數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先級(jí)最低。具體報(bào)文標(biāo)識(shí)符如表1所示。

表1 CAN總線節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符

本文采用高性能微控制器設(shè)計(jì)了基于CAN總線的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。充分利用了CAN總線的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡(luò)控制和環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集。MC9S12DP256微控制器的采用簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，且使系統(tǒng)具有高抗干擾性、高可靠性等特點(diǎn)。此外，仍需進(jìn)一步研究智能化傳感檢測(cè)和視覺系統(tǒng)，使機(jī)器人具有更高的自主性、智能化。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

[2]楊樹風(fēng).帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[3]李劍峰，原魁，鄒偉.自主機(jī)器人非視覺傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006(2)：125-129.

[4]王威.HCS12微控制器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.