基于藍(lán)牙的機(jī)器人通信控制方法

蒲昌玖

（重慶教育學(xué)院，重慶 400067）

基于藍(lán)牙的機(jī)器人通信控制方法

蒲昌玖

（重慶教育學(xué)院，重慶 400067）

提出了一種基于藍(lán)牙的無線通信解決方案。該方案把控制機(jī)器人運動的代碼放在遙控器上，實現(xiàn)機(jī)器人代碼與機(jī)器人的分離。該方案簡化了機(jī)器人無線通信的設(shè)計，增加了通信的可靠性。同時具有實現(xiàn)簡單，價格便宜等優(yōu)點。理論分析和實驗結(jié)果驗證了這一方案的有效性。

藍(lán)牙；無線通信；機(jī)器人

0 引言

與其它機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有更高的靈活性，更適合在人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。雙足機(jī)器人要想獲得與人類相接近的運動能力，就必須要能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的運動，這就需要更加精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這給機(jī)器人的通信控制提出了很大的難題。

由于雙足機(jī)器人有較高的靈活性和移動性，具有專用通訊線纜的方式就具有一定的局限性。若采用紅外代替通訊線纜的方式，則紅外傳送的定向性對機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳送有一定的影響，不能保證機(jī)器人在運動時能接收到全部數(shù)據(jù)，不利于對運動中的機(jī)器人進(jìn)行控制。雖然無線調(diào)頻遙控技術(shù)不必配置專用的通訊線纜且基本不具有方向性的問題，但抗空間電磁干擾能力低。雖然很多工程中提供了不少方案［1-3］，但在硬或軟件方面的實現(xiàn)過程比較復(fù)雜，提高了系統(tǒng)的設(shè)計與制造成本并且延長了開發(fā)時間。

本文以藍(lán)牙為硬件，把控制程序模塊化于控制器上，在機(jī)器人通信過程中不需使用電腦。簡化了機(jī)器人無線通信的設(shè)計，增加了通信的可靠性，同時具有實現(xiàn)簡單，價格便宜等優(yōu)點。

1 藍(lán)牙無線通信技術(shù)簡介

藍(lán)牙［4-5］是1998年推出的一種新的無線傳輸方式，是當(dāng)今世界公認(rèn)的十大科技成果之一。通過低帶寬電波實現(xiàn)點對點，或點對多點連接之間的信息交流。具備一般無線通信的優(yōu)點也有其自身的特點，例如功耗小、傳輸穩(wěn)定、可靠、安全，并且可以集成在任何需要無線傳輸?shù)漠a(chǎn)品中。是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范，是一種低成本、短距離的無線連接技術(shù)。

藍(lán)牙是無線數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)拈_放式標(biāo)準(zhǔn)。使用與微波、遙控器以及有些民用無線通訊器材相同的2.4GHz附近免付費、免申請的無線電頻段，為避免此頻段電子裝置眾多而造成的相互干擾，因而以一千六百次高難度跳頻以及加密保密技術(shù)。它將各種通信設(shè)備、計算機(jī)及其終端設(shè)備、各種數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)系統(tǒng)、甚至家用電器采用無線方式聯(lián)接起來。它的傳輸距離為10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)便可達(dá)到100m的傳輸距離。它采用2.4GHz ISM頻段和調(diào)頻、跳頻技術(shù)，使用權(quán)向糾錯編碼、ARQ、TDD 和基帶協(xié)議。TDMA 每時隙為 0.625μs，基帶符合速率為1Mb／s。藍(lán)牙支持64kb／s實時語音傳輸和數(shù)據(jù)傳輸，語音編碼為CVSD，發(fā)射功率分別為1mW、2.5mW和100mW，并使用全球統(tǒng)一的48比特的設(shè)備識別碼。藍(lán)牙最吸引人的特性是它的跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hop—ping Spread Spectrum。FHSS）特性。

與簡單的靜態(tài)選擇頻率相比，F(xiàn)HSS更加復(fù)雜，但它的優(yōu)點是明顯的。第一，F(xiàn)HSS能夠提供一定級別的通信保密性，以便只有知道跳頻式樣的接收器才能夠接收并組裝所有的消息分組。第二，也是更重要的一點，由于無線電波從一個頻率到另一個頻率的跳變（通常是隨機(jī)的，至少是偽隨機(jī)的，速度很快），減少了射頻干擾。高穩(wěn)定性與抗干擾性對環(huán)境十分惡劣干擾很強(qiáng)的工作現(xiàn)場的在線測量工作十分必要。

總之，整個藍(lán)牙協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，使用重傳機(jī)制來保證鏈路的可靠性，在基帶、鏈路管理和應(yīng)用層中還可實行分級的多種安全機(jī)制，并且通過跳頻技術(shù)可以消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中來自其它無線設(shè)備的干擾。

2 機(jī)器人的藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊有兩種工作模式，一種是參數(shù)設(shè)置模式，另一種是通訊模式，當(dāng)內(nèi)嵌模塊的Cmd Data開關(guān)撥到Cmd一側(cè)（即CLR腳為低電平），就為參數(shù)設(shè)置模式，一旦Cmd Data開關(guān)撥到Data一側(cè)（即CLR腳為高電平），就自動進(jìn)入通訊模式。藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊除了一對配套使用之外，也可以獨立使用。

在本論文中，機(jī)器人主控方采用單片機(jī)（AT89S51）做成的最小單片機(jī)開關(guān)電路、藍(lán)牙和機(jī)器人控制主板（MGR-CA128）所構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 發(fā)送端電路圖

圖2 接收端電路圖

而在機(jī)器人被控端則是把藍(lán)牙芯片的從片串在機(jī)器人的總線上，如圖2所示，右邊的主板起的作用就是把所有伺服電機(jī)串在機(jī)器人的總線上。

機(jī)器人的遙控方主要實現(xiàn)的功能是發(fā)送對實現(xiàn)機(jī)器人一定規(guī)劃動作的程序代碼（如發(fā)送執(zhí)行機(jī)器人執(zhí)行步行動作的代碼）。首先通過各開關(guān)的閉合選擇機(jī)器人運動規(guī)劃哪部分功能模塊（如步行），然后取出執(zhí)行該規(guī)劃動作的指令代碼 （包含各個伺服電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)角信息等），最后發(fā)送執(zhí)行函數(shù)。

在機(jī)器人的接收方將藍(lán)牙芯片接收的代碼信息傳送給機(jī)器人各個伺服電機(jī)，通過傳送的代碼信息完成機(jī)器人的運動規(guī)劃。

2.2 軟件設(shè)計

藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊作為一種線纜取代方案，它可以直接與單片機(jī)或處理器相連，采用即插即用的方式透明的實現(xiàn)設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊硬件電路連接正確，并且加電啟動之后，主從設(shè)備會自動建立連接，并且識別與記憶對方設(shè)備，之后，用戶的設(shè)備就可以像使用一條串口線一樣的使用藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊。并且，藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊提供了安全認(rèn)證功能，當(dāng)用戶設(shè)置使用安全認(rèn)證時，連接的設(shè)備必須要進(jìn)行鑒權(quán)，只有通過鑒權(quán)的用戶才能與其進(jìn)行通訊，如果是一對藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊，這些過程都將自動完成。

軟件功能主要包括：藍(lán)牙主從芯片連接的建立，發(fā)送端中按鍵的接收并找到相應(yīng)的代碼模塊后逐條發(fā)出和機(jī)器人接收端根據(jù)相應(yīng)的指令執(zhí)行機(jī)器人的動作。從硬件構(gòu)成上，采用了3個不同的編程環(huán)境：一是用單片機(jī)做成的最小單片機(jī)開關(guān)電路，該部分可采用適合該單片機(jī)的匯編語言或者C語言實現(xiàn)編程［6］，把用戶在選擇開關(guān)上的選擇傳送給機(jī)器人控制主板；二是用機(jī)器人控制主板構(gòu)成的機(jī)器人驅(qū)動電路，該部分須與之對應(yīng)的語言進(jìn)行編程，可參考對應(yīng)說明書；三是由藍(lán)牙構(gòu)成的數(shù)據(jù)傳送電路，該部分的編程方法比較多。從前一部分的硬件結(jié)構(gòu)可以看出，整個系統(tǒng)的軟件功能的實現(xiàn)主要在發(fā)送端，其流程圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送端程序流程圖

其中，對機(jī)器人運動規(guī)劃代碼模塊的劃分方法和與之對應(yīng)的選擇條件自定。圖中default模塊為按鍵中產(chǎn)生的錯誤參數(shù)（在條件選擇中沒有的，可能是誤操作或者同時按了多個鍵產(chǎn)生的。）在沒有與之對應(yīng)的運動語塊的情況下不執(zhí)行任何操作，直接再次等待用戶選擇。

3 藍(lán)牙在機(jī)器人中的應(yīng)用

本課題選用的機(jī)器人平臺為：機(jī)器人共有17個伺服電機(jī) （17 個自由度：leg 5×2， waist 1， arm 3×2），內(nèi)置控制電路（MGR-CA128）及電池。在采用藍(lán)牙之前可通過RS232串口線直接和計算機(jī)連接，在計算機(jī)上通過編程實現(xiàn)任意設(shè)定每個關(guān)節(jié)的動作幅度和速度，完成構(gòu)成機(jī)器人的運動規(guī)劃程序。

為了驗證本論文方法的正確性和有效性，采用非仿生側(cè)向步行方法［7］對機(jī)器人進(jìn)行了實驗驗證。在論文所采用的系統(tǒng)實驗中，為每個功能分配的是獨立一個按鍵并且設(shè)置了相應(yīng)的間隔時間避免錯誤的參數(shù)傳遞給系統(tǒng)。圖4為本論文中的系統(tǒng)在試驗中采用條件為”s”的側(cè)向步行的執(zhí)行效果。

圖4 機(jī)器人側(cè)向步行方法實驗狀態(tài)圖

4 總結(jié)

本文介紹了基于藍(lán)牙的機(jī)器人通信方式。在論文中詳細(xì)介紹了該方法的實現(xiàn)原理和實現(xiàn)方法。該方法主要是利用藍(lán)牙內(nèi)嵌模塊的遙控技術(shù)，把控制機(jī)器人運動的代碼放在遙控端，實現(xiàn)機(jī)器人代碼與機(jī)器人的分離，采用遙控器對機(jī)器人進(jìn)行遙控?？朔藗鹘y(tǒng)的遙控技術(shù)如紅線遙控和調(diào)頻遙控技術(shù)的部分缺點。該方法不需使用電腦，簡化了機(jī)器人無線通信的設(shè)計，增加了通信的可靠性。同時具有實現(xiàn)簡單，價格便宜等優(yōu)點。理論分析和實驗結(jié)果驗證了這一規(guī)劃方法的有效性。

［1］宋國森，姜霞，修國浩.藍(lán)牙與其他短距離無線通信技術(shù)的比較［J］.無線電工程，2004，（05）.

［2］傅民倉，馮立杰，李文波.短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及其應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，（11）.

［3］ Yabin Liu， Shouqian Yu，Weihai Chen，Wei Li.Wireless Communication Technology Based on Bluetooth and Its Application to a Manipulator Industrial Informatics［J］.2006.IEEE International Conference on Aug.2006 Page （s）：1251-1256

［4］ 曾愛群，張烈平.藍(lán)牙技術(shù)的概述［J］.電子測試，2007，（06）.

［5］熊由頁.藍(lán)牙技術(shù)及其運用現(xiàn)狀［J］.科技信息（學(xué)術(shù)研究），2007，（16）.

［6］陳明熒.8051單片機(jī)基礎(chǔ)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［7］ Pu Changjiu， Wang Yujun.A method for lateral motion planning on the biped robot.The proceedings of IFITA 2009，2009.05

［責(zé)任編輯 劉江南］

Bluetooth-based robot communicative controlling method

PU Chang-jiu
（Chongqing Education College， Chongqing 400067， China）

This paper presents a bluetooth-based plan for solving radio communication.This plan realizes the separation of fobot code from the robot by putting the code which controls the robot’s movement on the remote control.Simplifying the design of robot radio communication and increasing the reliability of communication， it has the advantages of easy operation and low price.The effectiveness of this method has been validated by the theoretical analysis and the experimental results.

bluetooth； radio communication； robot

TN925

A

1008-6390（2010）06-0045-03

2010-04-23

蒲昌玖（1980-），男，重慶銅梁人，助教，工學(xué)碩士，研究領(lǐng)域為機(jī)器人控制與運動規(guī)劃。