单兵作战用机器人控制系统设计

摘要：单兵作战用机器人方便携带、操控简单、可代替人类到达危险环境作战。机器人通过无线电台接收遥操控终端发送的控制指令，按照指令行动；同时机器人采集自身的状态信息，发回遥操控终端。手持遥操控终端的士兵能够方便的控制机器人，并实时掌握机器人的状态信息。文中详细介绍了单兵作战用机器人的控制系统硬件和软件设计。
关键词：单兵作战；机器人；控制系统；DSP

    单兵作战用机器人体积小，方便单兵野外作战时携带，可完成侦察、作战、排爆等任务。机器人能够代替人类到达不方便到达或危险的环境，确保了士兵的安全。车体是履带式设计，行动平稳。

1 单兵作战用机器人控制系统硬件设计
    为了实现士兵对机器人的实时控制，需要配合使用遥操控终端。机器人与遥操控终端的工作原理如图1所示。

    遥操控终端通过按钮、开关、摇杆采集工作人员的操控指令，将操控指令转换成数据，按照规定的格式通过串口发给无线电台，无线电台将该数据发送出去；机器人控制系统的无线电台接收到来自操控终端的控制指令后，按照操控指令控制机器人运动、武器击发，同时机器人控制系统采集机器人的GPS位置、电池电量、超声波避障信息等，把机器人信息打包后通过机器人上的无线电台发送给遥操控终端的电台，遥操控终端接收到机器人信息后，将其显示在人机界面上，以备士兵随时掌握机器人的实时信息。
    单兵作战用机器人控制系统是基于DSP芯片及与其外围电路、电源电路组成。DSP芯片选用TMS320F2812。TMS320F2812是美国TI公司推出的C2000平台上的定点32位DSP芯片，主频150 MHz、处理性能可达150 MIPS，每条指令周期6．67 ns。TMS320F2812包括4M可寻址程序空间和4M可寻址数据空间。同时片内具有128×16位的FLASH存储器和18K×16位的SRAM。TMS320F2812采用3_3 V和1．8 V供电，功耗低。TMS320F28 12的外部接口非常丰富，16路12位的ADC采集通道，SPI、SCI通信模块，多达56个复用I／O引脚。

    单兵作战用机器人控制系统组成如图2所示。
1．1 I／O端口
    TMS320F2812的GPIOA0-GPIOA3口设置成基本输入输出端口，端口配置及属性如表1所示。

    超声波避障信号用于探测机器人前方0．5 m内是否有障碍物，如遇到障碍物，机器人可自动转弯避开。武器击发开关用于机器人上武器的击发控制，手电开关用于机器人上手电的开关控制，摄像头广窄角选择用于机器人上摄像头的广角与窄角的切换。
1．2 A／D端口
    TMS320F2812的A／D转换器模块共有16个通道，模拟电压的输入范围是0～3 V。这里用了其中的2个通道，分别用来测量机器人上的2块24 V锂电池的电量。图3中电量测量电路分为3个部分：差分比例1：10电路，把24 V电压转换到0～2．4 V区间；隔离比例1：1电路，能有效的隔离输入电压与DSP的前端接口；电压钳位电路，将输入到DSP端口的电压钳位在3.3 V以内，防止电源电压意外浪涌时损坏DSP的A／D转换端口。2路24 V电池电压分别经过2路电量测量电路后，输入到DSP的ADCINA0、ADCINA2两个端口，根据采集到的电压值，可计算当前电池的电压，从而确定电池电量。

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，用来确定当前机器人的位置信息；串口2连接机器人电台，实现与遥操控终端电台的无线传输。机器人电台连接摄像头和麦克之后，能够把影音信息传送到遥操控终端的电台，遥操控终端的工作人员即可接收到机器人附近的视频、音频信息。
1．4 电机控制
    机器人的前进、后退、左转、右转由左履带电机和右履带电机控制。机器人上的武器通过做上下、左右调节来瞄准目标。
    DSP的XINTF是其外部接口，这里使用了XD0-XD11共12根数据线，经过电平转换为5 V电平后，连接到D／A转换芯片。D／A转换芯片选用了12位的AD664，可输出4路0～5V模拟电压，4路模拟电压作为控制电压输入到电机控制器，分别控制机器人左履带电机、右履带电机、武器上下调节电机、武器左右调节电机。
    当电压为2．5 V时，电机停转；电压小于2．5 V时，电机反转；电压大于2．5 V时，电机正转。对于左履带和右履带，通过输出的控制电压，可实现车体前进、后退的无级变速，以及左、右转弯的运动控制。
1．5 电源供电电路
    锂电池具有体积小、重量轻、容量大的特点。机器人内置2组24 V供电电池。第1组24 V电池为左履带电机、右履带电机、武器上下调节电机、武器左右调节电机供电。第2组24 V电池经过DC／DC模块．转换成12 V电压和5 V电压。12 V电压用来给机器人上的无线电台供电。5 V电压为控制电路供电，同时经过电源转换电路，转换成3．3 V和1．8 V电压为DSP供电。为了监测DSP芯片供电电压是否正常，增加了电压监控电路，当DSP芯片供电不正常时，可将此故障报送到电台发送到遥操控终端。

2 单兵作战用机器人控制系统软件设计
    单兵作战用机器人控制系统软件分为主程序和中断服务程序两部分。主程序实现的流程如图5所示，上电初始化处理器的I／O端口、A ／D端口、串口等资源，初始化完毕开始与遥操控终端软件进行通信，握手成功后，开启软件定时器、中断，定时采集机器人信息，包括超声波避障、电量测量值、GPS信息。

    当串口2即机器人无线电台出现接收数据中断时，表明接受到来自遥操控终端的控制数据，此时处理器进入中断服务程序，如图6所示。中断程序首先将串口2接收到的数据保存到寄存器，然后将最新采集的机器人信息按照预定格式发送到串口2，通过机器人无线电台发送给遥操控终端。程序还需要根据串口2所接到的数据，按照预定的格式分配到处理器的各个端口，实现遥操控终端的控制指令，包括武器击发开关、手电开关、摄像头广角窄角切换、左履带电机转动方向和速度、右履带电机转动方向和速度、武器高低转动方向和速度、武器左右转动方向和速度。

3 结束语
    单兵作战用机器人便于携带、操控简单、可广泛应用于军队、武警部队。文中所设计的单兵作战用机器人控制系统实时性高、设计合理，理论试验验证可行，在实际应用中得到了用户的认可。