基于MSP430的自主式移動機器人設(shè)計與實現(xiàn)

　　摘要：文章以MSP430系列單片機為核心，提出了一種輪式移動機器人的軟硬件設(shè)計方案，闡述了其通過傳感器網(wǎng)絡(luò)來進行避障、遍歷等自主控制，并實現(xiàn)機器人與ＰＣ機間無線控制的方法。

    關(guān)鍵詞：機器人；MSP430；PWM；232通訊

１ 引言

　　自主式移動機器人是指能根據(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目標(biāo)的智能系統(tǒng)。移動機器人可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防以及服務(wù)性行業(yè)。如自動割草機、洗塵機器人、教育機器人等。本文以ＭＳＰ４３０單片機為核心介紹了一種移動機器人的設(shè)計雛形，該系統(tǒng)利用各種傳感器感知周圍環(huán)境，并在計算機與單片機之間實現(xiàn)無線通信，從而以無線方式控制移動機器人。

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

２ 硬件結(jié)構(gòu)

　　筆者選用的ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２內(nèi)含８ｋＢ可重復(fù)編程快閃存儲器、２５６字節(jié)只讀存儲器（ＲＡＭ）、多通道脈寬調(diào)制ＰＷＭ計時器、看門狗計時器和ＵＳＡＲＴ通訊模塊等，采用２８腳ＴＳＳＯＰ封裝，因此易于進行小型化設(shè)計。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２主要用來產(chǎn)生兩路ＰＷＭ信號，以對傳感器信息進行處理。同時，筆者還選用電機驅(qū)動芯片Ｌ２９３Ｄ來驅(qū)動直流電機，并利用霍爾元件來檢測電機速度；此外還安裝了紅外避障和光敏傳感器以獲取環(huán)境信息，并利用語音電路ＩＳＤ２５１２０來進行交互，而通過微控制器的ＵＡＲＴ經(jīng)２３２接口芯片后利用無線模塊ＰＴＲ２０００可與ＰＣ機端的無線模塊進行通訊。圖１所示為其系統(tǒng)框圖。

２．１ ＰＷＭ脈寬調(diào)制

　　ＭＳＰ４３０單片機的Ｔｉｍｅｒ＿Ａ是一個非常有用的定時器，它可支持同時進行的多種時序控制、多個捕獲／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來產(chǎn)生兩路ＰＷＭ信號，并分別接Ｌ２９３Ｄ的１２ＥＮ和３４ＥＮ，以用來控制兩個電機的起停、轉(zhuǎn)向及速度。定時器工作在增計數(shù)模式時，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。輸出單元選擇模式２。改變ＣＣＲ１和ＣＣＲ２的值，即可改變ＰＷＭ信號的占空比，從而改變電機轉(zhuǎn)速。

　　Ｌ２９３Ｄ的芯片電壓為５Ｖ，電機驅(qū)動電壓ＶＣＣ２為１１．４Ｖ可通過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與單片機的連接圖如圖２所示。

２．２ 語音電路

　　語音電路采用１２０秒的語音芯片ＩＳＤ２５１２０來實現(xiàn)，該芯片有多種封裝，本設(shè)計采用小巧的２８ＳＯＩＣ封裝，它控制簡單，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，這些ＲＥ-ＳＥＴ信號端可接單片機的Ｉ／Ｏ口Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２，地址位的最高兩位Ａ８和Ａ９均為高時，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，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ＩＳＤ２５１２０進行地址選段選擇或模式控制。

２．３ 充電電路

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

２．４ 無線通信模塊

　　考慮到自主機器人的特點，計算機與機器人的通信采用無線通信方式較為適宜。筆者選用微小型、低功耗、高速率、１９．２Ｋ無線收發(fā)數(shù)傳ＭＯＤＥＭ芯片ＰＲＴ２０００來完成計算機與機器的無線通信，該ＭＯＤＥＭ的工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段４３３ＭＨｚ，采用ＦＳＫ調(diào)制，可連接到計算機ＲＳ２３２接口。因為沒有信號時，ＰＴＲ２０００的串口會輸出隨機數(shù)據(jù)，因此需要定義一個簡單的指令協(xié)議，設(shè)計時可加開始字符、校驗位、結(jié)束標(biāo)志等，校驗采用ＣＲＣ校驗。傳輸協(xié)議定義為：

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

　　在各種校驗方法中，奇偶校驗容易實現(xiàn)，但不太可靠，因其只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個錯誤；校驗和不能發(fā)現(xiàn)次序錯誤，相比之下，ＣＲＣ更可靠些。系統(tǒng)首先生成多項式Ｇ（Ｘ）＝Ｘ８＋Ｘ６＋Ｘ２＋１然后生成８位ＣＲＣ校驗數(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，ＰＴＲ２０００的ＤＯ和ＤＩ直接與單片機的ＵＲＸＤ０和ＵＴＸＤ０連接，計算機串口的ＲＸＤ和ＴＸＤ需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換ＭＡＸ２３２與ＰＴＲ２０００相連。計算機端可采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ編寫程序，以實現(xiàn)對機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停及速度調(diào)節(jié)等基本控制。對于收發(fā)狀態(tài)的控制，單片機端可直接通過將一輸出口置１或置０來將無線收發(fā)模塊置于發(fā)射或接收狀態(tài)，而對計算機串口的控制則可通過ＶＢ內(nèi)ＭＳＣｏｍｍ控件的ＲＴＳＥｎａｂｌｅ屬性來實現(xiàn)。

３ 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件根據(jù)任務(wù)不同一般會有所差別。本系統(tǒng)軟件在啟動后先初始化，然后通過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來指示，然后才能遍歷實驗環(huán)境，遍歷環(huán)境采用先橫向走遍整個環(huán)境，再縱向遍歷的方法。在無線控制信息時，系統(tǒng)將通過中斷進行相應(yīng)處理。機器人還可以通過傳感器實現(xiàn)循跡（黑線）行走和尋找光源等功能。在ＰＣ端，用ＶＢ編的一個簡單的機器人控制界面可非常方便的設(shè)定機器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)速度，實時控制機器人前行、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及運動停止等。

　　圖３給出了單片機端的程序流程圖以及串行中斷子程序。

４ 結(jié)束語

　　本文介紹了一種輪式移動機器人的設(shè)計方案，該系統(tǒng)的程序和ＰＣ端的無線控制相對獨立，無線控制只是完成一些簡單的動作控制。在此基礎(chǔ)上，可進一步研究移動機器人在未知環(huán)境中如何感知、學(xué)習(xí)、分析及處理周圍環(huán)境信息，并運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等進行規(guī)劃來實現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能的方法。這樣，人為指令就可以完全由計算機在分析、處理后自動發(fā)出，從而實現(xiàn)真正意義上的機器人自主行為。