基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现.doc

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1、 目 录第1章 绪论161.1 引言161.2移动机器人研究现状171.3 本课题研究内容及意义18第2章 灵狐机器人系统及其运动模型 192.1 系统框架192.2 灵狐机器人运动建模202.2.1 运动学模型212.2.2 动力学模型23第3章 灵狐机器人子系统设计 243.1 DSP驱动控制子系统243.1.1 DSP简介243.1.2 PWM的实现方法253.1.3 驱动结构设计263.1.3.1步进电机简介及电机选型263.1.3.2机械结构设计273.1.4 步进电机控制283.2 无线通讯子系统293.2.1 无线通讯子系统作用293.2.2 芯片选型293.2.3 无线通讯子系

2、统硬件接口303.2.4 软件编程313.2.5 通信协议设置333.2.6 通信传输距离的计算333.3 超声波子系统343.3.1 超声波测距原理343.3.2 系统硬件接口343.3.3 数据处理353.3.4 结果误差分析363.4 无线图像传输子系统363.5 GPS辅助导航子系统383.5.1 GPS定位原理383.5.2 产品选型393.5.3 系统硬件接口403.5.4 NMEA-0183通信标准413.5.5 GPGGA语句解析413.6 语音识别子系统423.6.1 系统硬件接口图423.6.2 非特定人语音识别程序的编写433.7 音乐控制子系统453.7.1 系统设计方

3、案453.7.2 音乐子系统的实现453.8 逐球图像处理子系统463.8.1 系统设计方案463.8.2 图像处理子系统的研究与实现473.8.2.1系统结构图473.8.2.2 图像模型的选择RGB模型473.8.2.3 空间坐标变换483.8.2.4 色标设计与识别50第4章 机器人底层控制算法设计 514.1 PD控制简介524.2 系统实现52第5章 实现功能及轨迹控制精度误差实验 545.1 实现功能545.1.1 “灵狐排练”模式545.1.2 基于人的思维的反馈式近地侦察模式555.1.3 基于视觉闭环自治的逐球模式575.2 轨迹控制精度分析595.2.1 轨迹精度误差实验的

4、设计和实现595.2.2 误差分析59第6章 总 结 616.1 概述616.2 主要工作和创新点616.3 作品适用范围及发展前景626.4 研究结论626.5 存在问题及工作展望63主要作者本科阶段发表论文63参考文献.63附录1 配合音乐的DSP舞蹈控制程序66附录2 机器人性能参数67基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现第1章 绪论1.1 引言二十一世纪的钟声宣告了知识经济时代的来临，我国也相应提出“科技兴国”方针，大力发展科技事业。机器人是传统的结构学与近代电子技术相结合的产物，是集计算机科学、控制技术、传感器技术、电机技术、机构学及美学等多学科为一体的高科技产物，它

5、的出现和发展不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类社会生活产生深远的影响。图11Sony公司 AIBO机器狗机器人的研究和应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的反映，一个国家如果不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备产品国际竞争的工业基础。因此，世界上许多国家，包括中国在内都对机器人的发展予以高度重视。机器人已发展50年左右了，虽由于涉及的技术太复杂，机器人还没有如人们预期的那样,但得益于相关技术的飞速发展，很多移动机器人即将进入人们的生活。在进入21世纪以后，已经有超过6家公司发布了家用洗尘机器人，Sony公司的AIBO机器狗（图11）更是以超过1万人民币的售价在

6、全世界范围内卖出了上万只1，这无疑给机器人市场注入了一只强心剂。同时工业用自动引导移动机器人（AGV）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后，AGV已经被提高到了一个新的高度。在军事方面，随着高新技术的发展，各种类型的军用机器人已经大量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的军用机器人。目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器使用。在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能完成许多载人系统无法完成的工作，如运输机器人可以在核化条件下工作，也可以在炮火下及时进行战场救护。在地面上，机器人为联合国维和部队排除爆炸物、扫除地雷；在波黑战场上，无人

7、机大显身手；在海洋中，机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密；在宇宙空间，机器人成了火星考察的明星。1.2移动机器人研究现状图12 美国Pioneer2-DXe7在美国，日本及欧洲的许多发达国家，由于移动机器人在人工智能理论研究、服务和娱乐领域的商业前景而受到重视，许多高校和企业都做了一定的理论研究和实践23，同样无线通信技术也在飞速发展45。我国的机器人事业起步较晚，移动机器人的研究早期主要集中在哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、上海交通大学等高等院校。下面介绍几个主要的移动机器人。美国Active Media公司成功地开发了先锋系列轮式移动机器人。以Pioneer2-DXe为例，如图12

8、所示， 它采用两轮驱动、一轮从动的结构拖动车体在平地上运动，基于西门子的C166的控制器在分析来自声纳传感器和图像传感器的基础上，按照一定的控制算法对分别驱动左右电机进行控制，从而实现机械小车的启停、转向等。图13 Robot J Edgar 7澳大利亚墨尔本大学研制的轮式移动机器人Robot J Edgar可以用作视觉导航移动机器人应用的测试平台。如图13所示，小车体积较小，车体高66cm，直径为48cm；小车采用左右两轮分别驱动、前后各装一个定位轮的结构，驱动速度达40cm/s。系统集成了声纳传感器和图像传感器。该机器人具有发现目标、自主避障的功能。1.3 本课题研究内容及意义（1）我国移

9、动机器人研究及制作，在传感器、控制器和控制算法上普遍落后于欧美发达国家，特别是使用单片机作为机器人的控制器，不仅使整个电路系统复杂，而且在控制精度、控制算法及实时性方面均受到限制。本文正是突破这种传统做法，选用性能更强的DSP作为控制器的核心进行开发的。（2）目前，国内外许多学者从理论方面研究了驱动可行走机器人的运动规划以及控制方法，并且取得了丰硕的成果。尽管有许多控制策略考虑到了实际系统中存在的各种不确定性和扰动对系统的影响，从而建立了相应的鲁棒控制方法，并进行了仿真试验，但这种理论上的模拟和实际应用的情况仍然相差甚远。要将这些理论上的控制方法应用到实际工程中去，必须首先经过实验验证，然后才

10、能应用到工程实际。因此，研制轮式移动机器人的实验平台及相应的控制装置，并且在该装置上进行控制算法的实验研究具有十分重要的意义。（3）许多机器人，尤其是足球机器人，驱动几乎清一色是直流电机。直流电机速度快，但控制精度低。为实现无线高精度控制机器人，本文实现了DSP步进电机控制器的解决方案，理论控制精度达0.08cm。（4）该作品适合于近距离侦察、攻击目标。基于蓝牙技术的无线通讯距离短，隐蔽性好，而且独特的载波监测、地址匹配、数据就绪输出给破译和干扰带来相当的难度。（5）该作品还具有美学欣赏价值，又因其语音功能而具有人机互动能力，所以有很强的娱乐性，可向玩具商品方向发展。第2章 灵狐机器人系统及其

11、运动模型2.1 系统框架基于DSP无线通讯多功能机器人平台“灵狐”主要有三大功能，近地侦察、逐球和舞蹈。前两者均属于半自主系统，而舞蹈功能的实现无需反馈信息，属于完全自主系统。近地侦察是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，其硬件框图如图21所示。整套系统可分为七个子系统，即GPS辅助导航子系统、语音识别子系统、无线图像传输子系统、音乐控制子系统、DSP驱动控制子系统、无线通讯子系统及超声波子系统。无线图像传输子系统实时传输给控制台图像数据，同时GPS辅助导航子系统也实时地传回机器人所在的经纬度，控制人员根据所获得的信息通过无线通讯子系统控制机器人的运动。其中主控制台是系统控制器，DSP驱

12、动控制子系统和音乐子系统可以看成执行机构或控制对象，而无线通讯子系统则是主控制台和DSP驱动控制子系统中间的信息桥梁，超声波子系统、GPS辅助导航子系统及无线图像传输子系统配合有效控制。图21 基于人的思维判断的反馈式近地侦察模式硬件框图逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，其硬件框图如图22所示。整套系统可分为图像处理子系统、DSP驱动控制子系统、决策子系统和无线通讯子系统共四个子系统。视觉子系统感知场地上环境信息和运动物体的位姿状态，并将其传送给决策系统，决策子系统对这些信息进行分析处理，再通过运动控制函数和无线通讯接口将决策内容转化为输出指令，无线通讯子系统以广播通信方式将指令

13、发送给机器人驱动子系统，机器人小车接受指令完成速度跟踪控制。图22 基于视觉闭环自治的逐球机器人模式硬件框图整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。图23是逐球机器人系统平台全视图。图23 逐球机器人模式平台全视图舞蹈功能由机器人自主系统实现，按指定路径伴随音乐节拍做相应舞蹈动作。2.2 灵狐机器人运动建模轮式移动机器人是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人不能沿轮轴方向运动5。非完整性控制系统没有孤立的平衡点，因此没有局部渐进稳定平衡点，只存在包含原点的平衡流形。图24 移动机器人采用的传统轮和瑞典轮移动机器人的轮子可分为两种类型：传统轮和瑞典轮。图24(a)为传统轮的偏心

14、方向轮。偏心轮具有全方位运动能力，同样瑞典轮也是全方位轮，如图24(b)所示，点的速度为： （2-1）其中，为轮子半径；为轴的单位向量；为速度向量；为瑞典轮的滚动轴运动的单位向量； 、为机器人质心的瞬时线速度和角速度。不同的轮式具有不同的运动能力和约束。通常用运动自由度DOM和舵性自由度DOS的组合形式（DOM，DOS）来定义轮式机器人的移动能力8。只具有两个运动自由度的 (2，0)系统为目前普遍研究对象。基于DSP无线通讯的Agent采用2轮差分结构，前后端分别有支撑的万向轮。2.2.1 运动学模型如图25所示，、轴为机器人外部环境坐标系，而、轴所代表的就是机器人自身的坐标系。机器人的位姿就

15、是，其中为机器人在绝对坐标系中的坐标。图25 轮式移动机器人运动学模型 图26 坐标转换确定机器人的位姿要引入坐标变换的概念。如图26所示，抽象化机器人为点，在绝对坐标系中的坐标为，在相对坐标系中的坐标为，机器人中心在绝对坐标系中的坐标为，在中的角度为。则可得点在两种坐标之间的转换公式 （2-2）假定轮子和地面之间没有滑动，即每瞬时与地面接触点的速度等于零。则每个轮子的运动学方程为： （2-3）其中，为1/2机器人左右轮间距；、分别为左右轮转动的角度。假定机器人在轮子侧向没有滑动，即系统所受的非完整性约束方程为： （2-4）定义速度向量为： （2-5）其中，、为机器人质心的瞬时线速度和角速度；

16、 是机器人左右轮速度向量。我们可得到机器人的运动学方程可表示为： （2-6）同时可得机器人运动轨迹的曲率半径为： （2-7）当时，曲率半径趋向无穷大，机器人作直线运动；当时，机器人以质心为圆心原地旋转；当不等于时，机器人围绕瞬心作圆周运动。2.2.2 动力学模型达朗伯原理与虚位移原理相结合，可导出动力学普遍方程，是分析动力学的基础。动力学普遍方程可表达为统一形式6： （2-8）其中，为广义坐标向量；惯性力矩矩阵；哥氏力和离心力向量；重力向量；输入变换矩阵；控制向量；乘积因子向量；满秩约束矩阵。对于差轮驱动的移动机器人，定义广义坐标向量，则满秩约束方程可表示为： （2-9）引入乘积因子，满足运动

17、学约束的动力学方程为： （2-10）其中，为车身重量，为轮子质量；整个机器人绕轴的转动惯量，为车身绕的转动惯量；，分别为右轮和左轮的输入力矩。综上所述，可以归纳总结出： （2-11）此模型可用于机器人的路径跟踪控制。 第3章 灵狐机器人子系统设计近地侦察系统是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，由七个子系统组成；逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，由四个子系统组成，现对每个子系统逐一介绍。3.1 DSP驱动控制子系统为了保证智能系统的功能扩展、技术的更新和控制算法的研究，系统应具有一定的开放性和软、硬件结构上的可扩展性。合理的模块化设计、有效的任务划分、系统实时性和多任务要求

18、都是机器人平台上应该解决但还没有完全解决的问题。近年来，数字信号处理器DSP以其完善的结构和优良的性能在通信领域、消费类电子、汽车电子产品等领域的应用日益占有重要地位，使用DSP技术提升智能机器人感知、控制性能，提高计算能力，降低总体成本成为一种发展趋势。3.1.1 DSP简介DSP芯片是一种具有特殊结构的微处理器，芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以快速实现各种数字信号处理算法。TMS320LF2407A是为了满足控制应用而设计的，其16位定点DSP内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解决方案。TMS

19、320C24X系列是美国TI公司为电机控制设计的专用芯片，在其基础上升级了TMS320LF240x。除了具有一般DSP的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还具有以下优点10： 采用高性能的CMOS工艺，使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗；最大可达40MIPS的执行速度缩短了指令周期，从而提高了控制器的实时控制能力； 片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据程序RAM，544字双端口RAM（DRRAM）和2K字的单口RAM（SARAM）； 两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16位通用定时器；8个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实

20、现：三相反相控制；PWM对称和非对称波形；当外部引脚出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道A/D转换器； 片内外设有看门狗定时器和实时中断定时器；可通过事件管理器触发1个16通道或2个8通道A/D转换器来处理反馈速度、位置、电压、电流等模拟信号；同时还有SPI、SCI以及多达40个的GPIO。3.1.2 PWM的实现方法应用DSP 产生PWM 的原理图如图31所示。具体实现如下： 通过设置TxCON 寄存器来确定采用连续增/减计数模式。计数器按设定的时间单位连续向上计数，当计数到设定的峰值时，计数器立

21、即向下计数则生成三角载波。在计数器计数过程中，如果设定的比较寄存器的值与计数器的值相等时PWM 脉冲输出端口自动输出高电平或低电平。 通过设置比较方式控制寄存器ACTRA 来确定PWM 脉冲输出端口电平为:强制高/强制低/高有效/低有效（根据功率器件的特性来定）。 通过设置比较控制寄存器COMCONX 确定各路PWM 脉冲输出端口间为哪一种切换方式：（1）当计数器的值为零时切换（2）当计数器的值等于设定的峰值时进行切换（3）立即进行切换。 实际应用中，通过调节周期寄存器和比较寄存器的值输出一系列控制脉冲以满足不同的控制要求。3.1.3 驱动结构设计移动机器人优秀表现的基础是要有一个良好运动特性

22、的移动平台。机器人平台的驱动控制是机器人的一个关键部分，它直接影响到整个机器人运动的精度、灵活性乃至整个系统的可靠性，并且在整个机器人的构造成本中一直都占有很大比重。机器人驱动模块一般由主动轮、随动轮、固定支架、电机、驱动器及能源系统构成。机器人小车应具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转弯、停车等基本动作。在本系统中，机器人接收到主机的指令，以电机作为执行机构来控制机器人的运动。为了精确控制，系统以牺牲速度为代价采用步进电机作为执行结构。3.1.3.1步进电机简介及电机选型步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角

23、增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。其最大优点就是不需要反馈控制，另外还有电路简单、容易与微型计算机联接、停止时有保持转距、维护方便等优点。选择步进电机时，要明确电机的最高运行速度和拖动负载所需的力矩7。电机所能提供的速度及力矩取决于电机自身性能及驱动电压、电流等因素。步进电机的基本特性是随着速度的升高力矩越来越小。一般而言，电压越高，力矩随速度的升高下降的越慢；电流越大，力矩越大。除此之外，还要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特

24、性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。电机输出的总力矩，其中为电机启动加速力矩，为摩擦折算至电机的转矩。本文采用42BYGH 永磁感应子式步进电机和SMD401型驱动模块，再配合DSP的脉宽调制电路构成DSP驱动控制子系统。电机步矩角，静转矩2.5Kg.cm，其接线和矩频特性分别如图32和图33所示。SMD401采用单极恒压驱动原理，驱动电流可达1A。该电机工作在四相八拍方式下，可使机器人的理论线性运动控制精度为0.08cm，最高运行速度为2.92m/s。图32 步进电机42BYGH接线图 图33 42BYGH矩频特性3

25、.1.3.2机械结构设计目前国内外移动机器人平台通常采用传统的伺服电机作为驱动部件，必须通过相应的减速机构和传动装置才能够实现对移动平台的驱动，存在结构复杂，价格昂贵，自重较大等问题，不能很好地满足机器人系统的需要。如图34所示，机器人采用两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构是一种典型的驱动结构。两个驱动轮4分别由两个伺服电机3经过减速器5分别驱动，随动轮1可置于本体前部，可也置于本体后部。机器人移动平台的行进方向由两个驱动轮的速度差决定，通过对两个电机施加不同的速度控制量可实现任意方向的运动。这种结构的特点是运动灵活，但对对伺服驱动系统本身的精度和动态特性要求非常高；而且由于采用减速器、码盘等

26、使整个系统的结构复杂，从而带来机器人成本的增加。图34 两个高精度驱动轮和 图35 两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构图 两个随动轮的结构为了既保留上述结构在运动方面的优势，又避免本体过于庞大，本文采用的两个高精度步进电机和两个随动轮结构如图35所示，。左右轮2分别为驱动轮，前后分别有万向轮支撑，平台的运动速度取决于两驱动轮的运动速度。利用该种驱动方式设计的机器人本体运动灵活，可实现零回转半径，方向控制精度高。该设计结构简洁，可维护性强。整个系统由于采取步进电机，不仅使成本大大降低，而且避免了减速器、编码器等的选型、装配等一系列问题，简化了电路，提高了系统的可靠性，减小了机器人的体积和重量。3

27、.1.4 步进电机控制由于步进电机结构上的特点，在一些要求高速度或平衡运行的场合就必须有一个逐步升速的过程，否则步进电机会失步；临到终点必须有一个减速过程，否则会造成过冲8 9 。在设计控制方式中本文充分考虑到以上因素的制约，通过曲线拟合逐步升降频。图36 步进电机升降频曲线通过多次实验对比验证本文得出结论：曲线规律（如二次式）的加减速方案较直线式的方案在同样的拟合原理之下更具优势。图36(a)是匀加、减速曲线。由于电机的电磁转矩与转速是非线性关系，如按线性关系加速时易造成转矩不足而失步。图36(b)的曲线基本上可以满足转矩与加速过程的关系。本系统拟合出的升降频曲线方程为 （3-1）在逐球机器

28、人中，系统通过图像处理，配合PD控制算法，计算出机器人的轮速。通过无线通讯发送出去，DSP接收到指令后控制机器人的运动。具体控制算法详见第5章。3.2 无线通讯子系统3.2.1 无线通讯子系统作用主机的控制指令通过计算机串口送至无线通讯模块，经过调制后发送出去。机器人上的通信接收器接收信号并解调，然后传送给车载微处理器。为了实现一对多的通信，一般都采用广播式传送，所有机器人采用统一的通信频率，而发给不同机器人的命令则根据各自的标识位加以区分。即每个机器人都能够接收到上位机发送的任一条命令，如果机器人检测出数据的某一个字节与自己的标识相符，则随后的命令被判断为有效，即要执行的命令。3.2.2 芯

29、片选型蓝牙技术作为一种短距离的无线链接技术，具有稳健性、低复杂性、低功耗性等特点10 11。基于蓝牙技术的NRF905是一种高性能嵌入式的无线发送接收芯片，其由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，具有体积小、通信距离远、通信速度快等优点。其中心频率为430/868/915MHZ，具有高抗干扰GFSK调制，数据传输速率50Kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出特性。它内置完整的通信协议CRC，可广泛适用于遥控机器人、无线报警及安全系统、水文气象监控、无线监测、家庭自动化等诸多领域12。图37 由NRF905构成的PTR8000由NRF905构成的PTR8

30、000模块，如图37所示。它支持一对一和一对多的链接方式，在一对多的模式中，多个蓝牙结点共享传输通道。两个或多个（最多8个）链接的结点构成微微网（piconet）。在一个piconet中，所有的结点都是对等的，但在piconet网建立与持续期间，其中一个设备被指定为主结点，其余设备被指定为从结点，而且调频的顺序由主结点的地址和时钟频率决定。主结点通过轮询的方式查找从结点，从结点只有在被主结点轮询到以后，才能占用通信信道，而且从结点之间不能直接进行数据通信1314。机器人整体性能的提高要求通信子系统在通信速度、通信质量等方面不断地予以改进和提高。3.2.3 无线通讯子系统硬件接口本文采用基于蓝牙

31、技术的高性能无线通讯模块PTR8000和DSP构成无线通讯子系统。PTR8000的硬件接口由10个数字输入/输出I/O组成，模式控制接口由TRX_CE、TX_EN、PWR组成，控制PTR8000的四种工作模式。表31：PTR8000四种工作模式PWRTRX_CETX_EN工作模式0XX掉电模式10X待机模式110接收111发射本系统采用DSP对PTR8000进行控制，硬件接口电路如图38所示：图38 PTR8000与DSP硬件接口3.2.4 软件编程由于与RF协议相关的高速信息处理部分已经嵌入在模块内部，PTR8000可与各种低成本单片机或DSP等高速处理器配合使用；PTR8000提供一个SP

32、I接口，速率由微控制器设定的接口速度决定。在RX模式中，地址匹配（AM）和数据准备就绪(DR)信号通知DSP一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微控制器即可通过SPI读取接收的数据。在TX模式中，PTR8000自动产生前导码和CRC校验码，DR信号通知DSP数据传输已经完成15。（1） 配置编程上电以后DSP首先配置PTR8000模块。先将PWR,TXEN,TRX_CE设为配置模式，DSP通知SPI将配置数据移入PTR8000模块；在掉电和待机模式工作后，配置内容仍然有效。配置数据只有当电源撤除后才会丢失。（2） 发射模式 当DSP有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和有效

33、数据送传给PTR8000，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定； DSP置高TRX_CE和TX_EN启动nRF905的发送； PTR8000内部处理：a.无线系统自动上电；b.数据打包(加字头和CRC校验码)；c.发送数据包； AUTO_RETRAN被置高，PTR8000将不断重发，直到TRX_CE被置低；当TRX_CE被置低，PTR8000发送过程完成，自动进入空闲模式。图39 PTR8000发射时序图（3） 接收模式 当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入RX模式； 650us后，PTR8000不断监测，等待接收数据； 当PTR8000检测到同一频段的载波时，载波检测

34、（CD）被置高； 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配(AM)被置高； 当一个正确的数据包接收完毕，PTR8000自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高 DSP把TRX_CE置低，PTR8000进入待机模式； DSP通过SPI口，以一定的速率把数据移到DSP内； 当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；图310 PTR8000接收时序图当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，nRF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道nRF905正在接收数据包，其可以决定是让nRF90

35、5继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。3.2.5 通信协议设置PTR8000使用半双工模式。当信息量过大时,有可能发生通信死锁,所以应考虑通信协议的设计。当机器人工作在基于视觉闭环自治的无线控制系统（逐球机器人）模式时，命令控制字的具体通信格式如下：其中, ( =1,2,3,4)为工作模式；( =1,2,3,)，为号机器人小车标识；( =1,2,3,)，为号机器人小车左轮速度；( =1,2,3,)，为号机器人小车右轮速度。上位机一次性将机器人的控制命令打包发送。每个小车都能接收上位机发送的每一条指令，然后进入相应中断程序并执行相关指令。在当机器人工作在基于人的思维判断的反馈式无线控制系统（

36、近地侦察）模式时，除了主控制台给机器人发送指令，机器人也实时地给主控制台发送GPS信息，具体通信格式为：其中( =1,2,3,4,5)，为发送的经度信息；( =1,2,3,)，为发送的纬度信息；(=1,2,3,4,5)为高精度PPS时钟输出。3.2.6 通信传输距离的计算自由空间是无线通讯的理想传播条件。其数学模型为 （3-2）式中, 为传输损耗,为传输距离, 为通信频率。系统中传输频率为433.92MHz,发射功率为+10dBm，接收灵敏度为-95dBm,计算出=9.78km。这是理想状况下的传输距离,在实际的应用中低于该值,因为无线通讯要受到各种外界因素如大气、阻碍物的影响，将上述损耗的参

37、考值计入上式中,即可得出近似通信距离。根据系统外界情况,取大气、阻挡等造成的损耗经验值为18dB16,则近似通信距离：=1.23km，仍可满足机器人的传输距离要求。3.3 超声波子系统3.3.1 超声波测距原理超声波发射器发出频率为40kHz的超声波信号。信号遇到固体或液面等障碍物后反射回来，超声波接受器接收到反射回来的信号后，根据接收波与发射波的时间差，算出离障碍物的距离，距离计算的公式为： （3-3）其中为所测得的距离；是超声波在气温为的速度，其试验值为331.45；为超声波从发射到接收到第一个回波的时间。3.3.2 系统硬件接口因超声波在大气中的传播速度与温度有关，如时每秒为331.36

38、米，20摄氏度时每秒为343.38米。测距测温控制器应对随环境温度变化的频率信号进行实时采样，系统将外界温度变化的数值进行内部运算，并校正各种环境温度下测距的误差值17。本文选用了CJ-1超声波测距板。该开发板选用EFR-40RS16C收发一体探头，测距范围0.25-5米，精度，同时具有三位LED显示障碍物的距离。本文利用DSP高速AD转换接口和CJ-1超声波测距板构建超声波硬件子系统。CJ-1系统将实时采样到的与障碍物的距离信息以电压形式传输给DSP的AD接口，DSP高速处理超声波数据，通过避障算法计算出左右轮速，通过运动控制子系统来调整运动方向的速度大小，以达到初步自主避障。系统的基本结构

39、如图311所示：图311 CJ-1与DSP硬件接口3.3.3 数据处理信号的处理和控制主要是通过DSP实现。DSP将采集到与障碍物距离对应的电压信号后，通过DSP进行A/D转换，将模拟量转换为数字量。然后进行硬件和软件的滤波处理。（1）硬件滤波：采用外接R、C电路的形式完成，结构图如下（2）软件滤波：我们采用加权平均的方法对采集到的数字信号进行处理。首先建立如下数组：为原先采集到的数字信号，为当前采集到的数字信号。下一时刻采集到信号将取代上一次的位置，放弃得值，取代的位置，取代的位置，取代的位置。程序设计如下：for(i=0;iN;i+)xi=xi+1;xN= ;系统采用软件滤波算法对样本进行

40、加权平均滤波，具体算法如下： （3-4）其中为权值，为样本空间。3.3.4 结果误差分析（1） 超声波在空气中传播的速度会受到温度、湿度、大气压力等因素的影响，在这些因素中，温度对其速度的影响更大一些，因为环境温度的变化更为经常。经过换算后的超声波距离计算公式为： （3-5）式中：为计数个数，为参考频率，为摄氏温度值，为所求距离。根据平常条件下的温度可能值，考虑到程序中实现的方便，利用查表法来做温度补偿，所用到的温度与对应速度值如表32所示17。温度值/（）-1001020304050速度/()325.5331.5337.5343.5349.5355.5261.5表32：超声波在不同温度下对应

41、的速度表（2） 因为超声波在空气中传播会随着距离的增大逐渐衰减，所以测得的距离不一定是第一个回波的过零点触发。（3） 超声波传播速度的变化影响着测距的精度，经过温度补偿后的精度有明显提高。（4） 超声波波束的集中度对测距精度会产生明显影响，另外现场环境等因素也会对测量结果产生影响。3.4 无线图像传输子系统摄像头采集到模拟视频，将该视频小波变换后，通过量化器编码，再经过容错处理后，通过无线通讯通道发送出去；接收方将接收到的信号解调后，经过纠错处理、逆量化编码处理后，再进行小波逆变换转换到时域空间，还原原来的视频图像。图312是无线图像传输的原理图。图312 无线图像传输原理图本设计采用无线图像

42、传输卡、视频采集卡及PC构成无线通讯子系统。具体接口示意图如下所示：图313 无线图像传输结构框图无线信号接收端实时接收到摄像头传送回来的数据，通过视频采集卡及相应的程序在电脑上显示出来。主控制台工作人员可以根据图像和GPS地理位置来判断机器人下一步要进行的动作，然后给出相应指令，无线控制机器人运动。本文选用JML公司生产的WS-212CDS，如图313所示。该产品具有夜视功能，夜视距离达25米；水平清晰度为380电视线；传输距离在空旷地为100米；发射和接受频率为1.2G/2.4G可选，灵敏度均为+18dB18。图314 WS-212CDS产品3.5 GPS辅助导航子系统基于人的思维判断的反

43、馈式机器人“灵狐”利用GPS进行辅助定位导航。GPS测得当地的经纬度，通过无线通讯模块实时传送给主控制台，主控制台将接收的GPS地理位置信息实时显示出来，并综合利用接收到的信息和其它信息控制机器人运动。3.5.1 GPS定位原理GPS定位基本原理采用测量学中的测距交会定位法。GPS接收机同时接收到3颗以上的GPS卫星信号,测量出测站点至卫星的距离,并通过导航电文解算出该时刻GPS卫星的空间坐标,然后运用测距交会法算出接收机天线中心的空间位置坐标。由于GPS采用了单程测距原理，又难以保证同步卫星时钟和用户接收机时钟的严格同步，所以，实际观测的测站点至卫星之间的距离，均含有卫星钟和接收机钟同步差的

44、影响（习惯上称之为伪距）。卫星的时钟误差可以应用导航电文中所给出的有关时钟差参数加以修正，但是难以确定接收机的时钟误差，通常把它作为一个未知参数，与观测站的坐标参数在数据处理中一并求解19。下面采用动态绝对定位法求解未知参数和测码伪距观测方程。若取符号卫星发射信号时的理想GPS时刻；接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻；卫星发射信号时的卫星时钟时刻；接收机收到该卫星信号时的接收机时钟时刻；卫星的信号到达观测站的传播时间；卫星时钟相对理想GPS时钟差；接收机时钟相对理想GPS时钟差；可以得到： （3-6）定义卫星与观测站的几何距离为相应的伪距为则在忽略大气折射情况的情况下，由上式可得： （3-

45、7）为了统一计算的时间标准，式（3-7）可近似的写为： （3-8）由于各卫星之间的同步差可保持在20ns以内，忽略这一影响，并掠去观测历元的下标，则（3-8）式可以改写成 （3-9）其中为接收机中相应历元t的钟差；为对于观测历元t，电离层折射对测码伪距的影响；对流层折射对测码伪距的影响；卫星轨差；观测噪声。在实际应用中，对上式中的7个未知量正交处理20，只剩下4个未知量（3个接收机坐标和1个接收机的时钟误差），这样就可得到4个方程，即： （3-10）求解上述四个方程，便可得到每一时刻接收机的钟误差和位置。3.5.2 产品选型GARMIN 的GPS OEM产品为12 通道GPS 接收机，功耗非常小，数据更新率为每秒一次，能够快速定位。其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，在设计上，这些GPS 接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。其中全部的重要元器件，包括RF/IF 接收机硬件和数字基带部分，都是由GARMIN 来设计和生产的，以保证其质量和性