基于MSP430的自主式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：文章以MSP430系列單片機(jī)為核心，提出了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)方案，闡述了其通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行避障、遍歷等自主控制，并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與ＰＣ機(jī)間無(wú)線控制的方法。

    關(guān)鍵詞：機(jī)器人；MSP430；PWM；232通訊

１ 引言

　　自主式移動(dòng)機(jī)器人是指能根據(jù)任務(wù)及環(huán)境信息做出全局路徑規(guī)劃，可在行進(jìn)中不斷感知局部環(huán)境信息并自主作出決策，從而能夠安全行駛并到達(dá)目標(biāo)的智能系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防以及服務(wù)性行業(yè)。如自動(dòng)割草機(jī)、洗塵機(jī)器人、教育機(jī)器人等。本文以ＭＳＰ４３０單片機(jī)為核心介紹了一種移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)雛形，該系統(tǒng)利用各種傳感器感知周?chē)h(huán)境，并在計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，從而以無(wú)線方式控制移動(dòng)機(jī)器人。

　　ＭＳＰ４３０ 是美國(guó)ＴＩ公司推出的１６位高性能系列單片機(jī)，其高效１６位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)可以確保任務(wù)的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成，且具有高級(jí)語(yǔ)言編程能力，配套友好方便的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境足可加速軟件的開(kāi)發(fā)。由于ＭＳＰ４３０采用了ＪＴＡＧ技術(shù)、ＦＬＡＳＨ 在線編程技術(shù)、ＢＯＯＴ-ＳＴＲＡＰ 等諸多先進(jìn)技術(shù)，因此具有很高的性?xún)r(jià)比，并有超低的功耗和豐富的片上外圍資源，很適合作為移動(dòng)設(shè)備的微控制器來(lái)用。

２ 硬件結(jié)構(gòu)

　　筆者選用的ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２內(nèi)含８ｋＢ可重復(fù)編程快閃存儲(chǔ)器、２５６字節(jié)只讀存儲(chǔ)器（ＲＡＭ）、多通道脈寬調(diào)制ＰＷＭ計(jì)時(shí)器、看門(mén)狗計(jì)時(shí)器和ＵＳＡＲＴ通訊模塊等，采用２８腳ＴＳＳＯＰ封裝，因此易于進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２主要用來(lái)產(chǎn)生兩路ＰＷＭ信號(hào)，以對(duì)傳感器信息進(jìn)行處理。同時(shí)，筆者還選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片Ｌ２９３Ｄ來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并利用霍爾元件來(lái)檢測(cè)電機(jī)速度；此外還安裝了紅外避障和光敏傳感器以獲取環(huán)境信息，并利用語(yǔ)音電路ＩＳＤ２５１２０來(lái)進(jìn)行交互，而通過(guò)微控制器的ＵＡＲＴ經(jīng)２３２接口芯片后利用無(wú)線模塊ＰＴＲ２０００可與ＰＣ機(jī)端的無(wú)線模塊進(jìn)行通訊。圖１所示為其系統(tǒng)框圖。

２．１ ＰＷＭ脈寬調(diào)制

　?。停樱校矗常皢纹瑱C(jī)的Ｔｉｍｅｒ＿Ａ是一個(gè)非常有用的定時(shí)器，它可支持同時(shí)進(jìn)行的多種時(shí)序控制、多個(gè)捕獲／比較功能以及多種輸出波形，也可以支持上述功能的組合。這里用Ｔｉｍｅｒ＿Ａ來(lái)產(chǎn)生兩路ＰＷＭ信號(hào)，并分別接Ｌ２９３Ｄ的１２ＥＮ和３４ＥＮ，以用來(lái)控制兩個(gè)電機(jī)的起停、轉(zhuǎn)向及速度。定時(shí)器工作在增計(jì)數(shù)模式時(shí)，可由捕獲／比較寄存器ＣＣＲ０確定周期Ｔ，而由ＣＣＲ１和ＣＣＲ２產(chǎn)生兩路ＰＷＭ信號(hào)。輸出單元選擇模式２。改變ＣＣＲ１和ＣＣＲ２的值，即可改變ＰＷＭ信號(hào)的占空比，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　Ｌ２９３Ｄ的芯片電壓為５Ｖ，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓ＶＣＣ２為１１．４Ｖ可通過(guò)３節(jié)３．８Ｖ的鋰電池提供，５Ｖ電壓經(jīng)整流橋后可由穩(wěn)壓器ＬＤＯ７８０５提供，ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的３．３Ｖ供電電壓可由ＬＭ３３穩(wěn)壓輸出。Ｌ２９３Ｄ與單片機(jī)的連接圖如圖２所示。

２．２ 語(yǔ)音電路

　　語(yǔ)音電路采用１２０秒的語(yǔ)音芯片ＩＳＤ２５１２０來(lái)實(shí)現(xiàn)，該芯片有多種封裝，本設(shè)計(jì)采用小巧的２８ＳＯＩＣ封裝，它控制簡(jiǎn)單，其Ｐ／Ｔ引腳為錄放控制端，ＣＥ引腳為放音／暫停控制端，ＰＤ為ＲＥＳＥＴ信號(hào)，這些ＲＥ-ＳＥＴ信號(hào)端可接單片機(jī)的Ｉ／Ｏ口Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２，地址位的最高兩位Ａ８和Ａ９均為高時(shí)，地址／模式輸入端為模式選擇，否則為地址輸入。在與ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２連接時(shí)，Ａ６、Ａ８、Ａ９接Ｐ３.６，Ａ０接Ｐ３.７，其余地址引腳接地，這樣就可方便地對(duì)ＩＳＤ２５１２０進(jìn)行地址選段選擇或模式控制。

２．３ 充電電路

　　充電電路采用無(wú)需控制器的智能快速充電器ＭＡＸ１７５８來(lái)實(shí)現(xiàn)，ＭＡＸ１７５８可對(duì)１～４節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，輸入電壓范圍在４～２８Ｖ，電池充電電壓可通過(guò)ＶＡＤＪ引腳進(jìn)行設(shè)置，并通過(guò)外接電容設(shè)置預(yù)充和快充的充電時(shí)間，同時(shí)可通過(guò)ＬＥＤ來(lái)指示當(dāng)前的充電狀態(tài)。充電電源采用２４Ｖ直流電源。

２．４ 無(wú)線通信模塊

　　考慮到自主機(jī)器人的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的通信采用無(wú)線通信方式較為適宜。筆者選用微小型、低功耗、高速率、１９．２Ｋ無(wú)線收發(fā)數(shù)傳ＭＯＤＥＭ芯片ＰＲＴ２０００來(lái)完成計(jì)算機(jī)與機(jī)器的無(wú)線通信，該ＭＯＤＥＭ的工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段４３３ＭＨｚ，采用ＦＳＫ調(diào)制，可連接到計(jì)算機(jī)ＲＳ２３２接口。因?yàn)闆](méi)有信號(hào)時(shí)，ＰＴＲ２０００的串口會(huì)輸出隨機(jī)數(shù)據(jù)，因此需要定義一個(gè)簡(jiǎn)單的指令協(xié)議，設(shè)計(jì)時(shí)可加開(kāi)始字符、校驗(yàn)位、結(jié)束標(biāo)志等，校驗(yàn)采用ＣＲＣ校驗(yàn)。傳輸協(xié)議定義為：

　　[開(kāi)始字符][數(shù)據(jù)１][數(shù)據(jù)２][８位校驗(yàn)][結(jié)束字符]

　　在各種校驗(yàn)方法中，奇偶校驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)，但不太可靠，因其只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤；校驗(yàn)和不能發(fā)現(xiàn)次序錯(cuò)誤，相比之下，ＣＲＣ更可靠些。系統(tǒng)首先生成多項(xiàng)式Ｇ（Ｘ）＝Ｘ８＋Ｘ６＋Ｘ２＋１然后生成８位ＣＲＣ校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　?。停樱校矗常埃疲保玻常仓屑傻母咚偻ㄓ猛剑惒绞瞻l(fā)器(ＵＳＡＲＴ)可設(shè)置成用于ＵＡＲＴ或串行外設(shè)接口(ＳＰＩ)中的任一模式，本例采用ＵＡＲＴ異步模式。 ＭＳＰ４３０的ＵＳＡＲＴ與ＰＴＲ２０００連接時(shí)，ＰＴＲ２０００的ＤＯ和ＤＩ直接與單片機(jī)的ＵＲＸＤ０和ＵＴＸＤ０連接，計(jì)算機(jī)串口的ＲＸＤ和ＴＸＤ需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換ＭＡＸ２３２與ＰＴＲ２０００相連。計(jì)算機(jī)端可采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ編寫(xiě)程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停及速度調(diào)節(jié)等基本控制。對(duì)于收發(fā)狀態(tài)的控制，單片機(jī)端可直接通過(guò)將一輸出口置１或置０來(lái)將無(wú)線收發(fā)模塊置于發(fā)射或接收狀態(tài)，而對(duì)計(jì)算機(jī)串口的控制則可通過(guò)ＶＢ內(nèi)ＭＳＣｏｍｍ控件的ＲＴＳＥｎａｂｌｅ屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)。

３ 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件根據(jù)任務(wù)不同一般會(huì)有所差別。本系統(tǒng)軟件在啟動(dòng)后先初始化，然后通過(guò)紅外傳感器以及霍爾元件等傳感器將環(huán)境循環(huán)掃描一周。需指出的是，完成一周需要有傳感器信號(hào)來(lái)指示，然后才能遍歷實(shí)驗(yàn)環(huán)境，遍歷環(huán)境采用先橫向走遍整個(gè)環(huán)境，再縱向遍歷的方法。在無(wú)線控制信息時(shí)，系統(tǒng)將通過(guò)中斷進(jìn)行相應(yīng)處理。機(jī)器人還可以通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)循跡（黑線）行走和尋找光源等功能。在ＰＣ端，用ＶＢ編的一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人控制界面可非常方便的設(shè)定機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及運(yùn)動(dòng)停止等。

　　圖３給出了單片機(jī)端的程序流程圖以及串行中斷子程序。

４ 結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種輪式移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)的程序和ＰＣ端的無(wú)線控制相對(duì)獨(dú)立，無(wú)線控制只是完成一些簡(jiǎn)單的動(dòng)作控制。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境中如何感知、學(xué)習(xí)、分析及處理周?chē)h(huán)境信息，并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等進(jìn)行規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能的方法。這樣，人為指令就可以完全由計(jì)算機(jī)在分析、處理后自動(dòng)發(fā)出，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)器人自主行為。