基于MSP430的自主式移动机器人设计与实现

    摘要：文章以MSP430系列单片机为核心，提出了一种轮式移动机器人的软硬件设计方案，阐述了其通过传感器网络来进行避障、遍历等自主控制，并实现机器人与ＰＣ机间无线控制的方法。

    关键词：机器人；MSP430；PWM；232通讯

１ 引言

自主式移动机器人是指能根据任务及环境信息做出全局路径规划，可在行进中不断感知局部环境信息并自主作出决策，从而能够安全行驶并到达目标的智能系统。移动机器人可广泛应用于工业、国防以及服务性行业。如自动割草机、洗尘机器人、教育机器人等。本文以ＭＳＰ４３０单片机为核心介绍了一种移动机器人的设计雏形，该系统利用各种传感器感知周围环境，并在计算机与单片机之间实现无线通信，从而以无线方式控制移动机器人。

ＭＳＰ４３０ 是美国ＴＩ公司推出的１６位高性能系列单片机，其高效１６位精简指令结构可以确保任务的快速执行，大多数指令可以在一个时钟周期里完成，且具有高级语言编程能力，配套友好方便的集成开发环境足可加速软件的开发。由于ＭＳＰ４３０采用了ＪＴＡＧ技术、ＦＬＡＳＨ 在线编程技术、ＢＯＯＴ-ＳＴＲＡＰ 等诸多先进技术，因此具有很高的性价比，并有超低的功耗和丰富的片上外围资源，很适合作为移动设备的微控制器来用。

２ 硬件结构

笔者选用的ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２内含８ｋＢ可重复编程快闪存储器、２５６字节只读存储器（ＲＡＭ）、多通道脉宽调制?ＰＷＭ?计时器、看门狗计时器和ＵＳＡＲＴ通讯模块等，采用２８脚ＴＳＳＯＰ封装，因此易于进行小型化设计。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２主要用来产生两路ＰＷＭ信号，以对传感器信息进行处理。同时，笔者还选用电机驱动芯片Ｌ２９３Ｄ来驱动直流电机，并利用霍尔元件来检测电机速度；此外还安装了红外避障和光敏传感器以获取环境信息，并利用语音电路ＩＳＤ２５１２０来进行交互，而通过微控制器的ＵＡＲＴ经２３２接口芯片后利用无线模块ＰＴＲ２０００可与ＰＣ机端的无线模块进行通讯。图１所示为其系统框图。

２．１ ＰＷＭ脉宽调制

ＭＳＰ４３０单片机的Ｔｉｍｅｒ＿Ａ是一个非常有用的定时器，它可支持同时进行的多种时序控制、多个捕获／比较功能以及多种输出波形，也可以支持上述功能的组合。这里用Ｔｉｍｅｒ＿Ａ来产生两路ＰＷＭ信号，并分别接Ｌ２９３Ｄ的１２ＥＮ和３４ＥＮ，以用来控制两个电机的起停、转向及速度。定时器工作在增计数模式时，可由捕获／比较寄存器ＣＣＲ０确定周期Ｔ，而由ＣＣＲ１和ＣＣＲ２产生两路ＰＷＭ信号。输出单元选择模式２。改变ＣＣＲ１和ＣＣＲ２的值，即可改变ＰＷＭ信号的占空比，从而改变电机转速。

Ｌ２９３Ｄ的芯片电压为５Ｖ，电机驱动电压ＶＣＣ２为１１．４Ｖ?可通过３节３．８Ｖ的锂电池提供，５Ｖ电压经整流桥后可由稳压器ＬＤＯ７８０５提供，ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的３．３Ｖ供电电压可由ＬＭ３３稳压输出。Ｌ２９３Ｄ与单片机的连接图如图２所示。

２．２ 语音电路

语音电路采用１２０秒的语音芯片ＩＳＤ２５１２０来实现，该芯片有多种封装，本设计采用小巧的２８ＳＯＩＣ封装，它控制简单，其Ｐ／Ｔ引脚为录放控制端，ＣＥ引脚为放音／暂停控制端，ＰＤ为ＲＥＳＥＴ信号，这些ＲＥ-ＳＥＴ信号端可接单片机的Ｉ／Ｏ口Ｐ２．０、Ｐ２．１、Ｐ２．２，地址位的最高两位Ａ８和Ａ９均为高时，地址／模式输入端为模式选择，否则为地址输入。在与ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２连接时，Ａ６、Ａ８、Ａ９接Ｐ３.６，Ａ０接Ｐ３.７，其余地址引脚接地，这样就可方便地对ＩＳＤ２５１２０进行地址选段选择或模式控制。

    ２．３ 充电电路

充电电路采用无需控制器的智能快速充电器ＭＡＸ１７５８来实现，ＭＡＸ１７５８可对１～４节锂电池进行充电，输入电压范围在４～２８Ｖ，电池充电电压可通过ＶＡＤＪ引脚进行设置，并通过外接电容设置预充和快充的充电时间，同时可通过ＬＥＤ来指示当前的充电状态。充电电源采用２４Ｖ直流电源。

２．４ 无线通信模块

考虑到自主机器人的特点，计算机与机器人的通信采用无线通信方式较为适宜。笔者选用微小型、低功耗、高速率、１９．２Ｋ无线收发数传ＭＯＤＥＭ芯片ＰＲＴ２０００来完成计算机与机器的无线通信，该ＭＯＤＥＭ的工作频率为国际通用的数传频段４３３ＭＨｚ，采用ＦＳＫ调制，可连接到计算机ＲＳ２３２接口。因为没有信号时，ＰＴＲ２０００的串口会输出随机数据，因此需要定义一个简单的指令协议，设计时可加开始字符、校验位、结束标志等，校验采用ＣＲＣ校验。传输协议定义为：

[开始字符][数据１][数据２][８位校验][结束字符]

在各种校验方法中，奇偶校验容易实现，但不太可靠，因其只能发现奇数个错误；校验和不能发现次序错误，相比之下，ＣＲＣ更可靠些。系统首先生成多项式Ｇ（Ｘ）＝Ｘ８＋Ｘ６＋Ｘ２＋１?然后生成８位ＣＲＣ校验数据。

ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２中集成的高速通用同步－异步收发器(ＵＳＡＲＴ)可设置成用于ＵＡＲＴ或串行外设接口(ＳＰＩ)中的任一模式，本例采用ＵＡＲＴ异步模式。 ＭＳＰ４３０的ＵＳＡＲＴ与ＰＴＲ２０００连接时，ＰＴＲ２０００的ＤＯ和ＤＩ直接与单片机的ＵＲＸＤ０和ＵＴＸＤ０连接，计算机串口的ＲＸＤ和ＴＸＤ需经电平转换?ＭＡＸ２３２?与ＰＴＲ２０００相连。计算机端可采用Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ编写程序，以实现对机器人的前进、后退、左转、右转、暂停及速度调节等基本控制。对于收发状态的控制，单片机端可直接通过将一输出口置１或置０来将无线收发模块置于发射或接收状态，而对计算机串口的控制则可通过ＶＢ内ＭＳＣｏｍｍ控件的ＲＴＳＥｎａｂｌｅ属性来实现。

３ 软件设计

系统软件根据任务不同一般会有所差别。本系统软件在启动后先初始化，然后通过红外传感器以及霍尔元件等传感器将环境循环扫描一周。需指出的是，完成一周需要有传感器信号来指示，然后才能遍历实验环境，遍历环境采用先横向走遍整个环境，再纵向遍历的方法。在无线控制信息时，系统将通过中断进行相应处理。机器人还可以通过传感器实现循迹（黑线）行走和寻找光源等功能。在ＰＣ端，用ＶＢ编的一个简单的机器人控制界面可非常方便的设定机器人的平移速度和旋转速度，实时控制机器人前行、后退、左转、右转以及运动停止等。

    图３给出了单片机端的程序流程图以及串行中断子程序。

４ 结束语

本文介绍了一种轮式移动机器人的设计方案，该系统的程序和ＰＣ端的无线控制相对独立，无线控制只是完成一些简单的动作控制。在此基础上，可进一步研究移动机器人在未知环境中如何感知、学习、分析及处理周围环境信息，并运用神经网络及遗传算法等进行规划来实现自学习功能的方法。这样，人为指令就可以完全由计算机在分析、处理后自动发出，从而实现真正意义上的机器人自主行为。