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吴子岳;高亚东;王董测;杨帅
【摘 要】In view of the various deviations of the tracked mobile robot in the autono-mous cruise,it is required to view the demand of traveling trace.A BeiDou Positioning Sys-tem Based on C805 1F020 MCU and UM220-3 BeiDou module was designed,which was com-bined with the MT-FR type mobile robot.The positioning data collected by the BeiDou mod-ule was transmitted to the PC,and the moving track of the mobile robot was displayed on the Google earth after being stored and processed,and the accuracy of the module was analyzed. The results show that the moving trajectory of the mobile robot can be clearly seen in the map,which provides reference value for the improvement of the structure and the control system of the tracked mobile robot.%针对履带移动机器人在自主巡航时出现的各种偏差，需查看行驶轨迹需求，设计了一款利用 C8051F020型单片机与 UM220-3北斗模块搭建的北斗定位系统，并将其与 MT-FR 型移动机器人结合起来，通过单片机模块将北斗模块采集的定位数据传送给 PC 机，经存储与处理后在谷歌地球中显示出移动机器人的运动轨磨内喷水
迹，并分析了其精度。结果表明，在地图中能够清晰地看见移动机器人的行驶轨迹且精度较好，为纠正偏差改进履带移动机器人的结构及控制系统提供参考价值。
【期刊名称】《全球定位系统》
【年(卷),期】2016(041)005
【总页数】4页(P71-74)
【关键词】北斗定位系统;履带移动机器人;运动轨迹
【作 者】吴子岳;高亚东;王董测;杨帅
【作者单位】上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306;上海海洋大学 工程学院，上海 201306
【正文语种】中 文
【中图分类】TD67
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近年来,随着科技的进步和社会需求的提高,机器人技术得到迅速而广泛的发展,其应用已逐渐渗透到社会的各个领域。履带移动机器人是机器人技术发展的一个重要分支,它能够在室内,室外等各种结构化或非结构化路面上连续运行,具有很好的环境适应性,如:优越的爬坡、避障、越障功能，对于某些特定的任务,则履带移动机器人还应具有路径规划、自主导航、远程遥控、视频传输等能力。
但由于制造工艺或控制系统设计不足以及其他原因导致履带移动机器人在行驶过程中可能会出现各种偏差,而北斗定位系统的实时位置及路径轨迹的生成能改进与修复偏差。
北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统,是继GPS,GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统,由空间段,地面段,用户端三部分组成[1]。整个系统由35棵卫星组成,其中包括5颗静止轨道卫星,目前已成功发射了16颗导航卫星,具备了覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。根据总体规划部署,到2020年将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统,届时可在全球范围内为各类用户全天候、全天时提供高精度、高可靠定位、导航与授时服务,以及短报文通信能力[1]。
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目前将北斗定位系统应用到工程机械上,进而了解工程机械的位置与运行状态的研究主要有:
辛德奎等[2]建立了一个北斗与GPS双模定位系统,将其应用在田间作业机车上,得到作业机车的实时位置,运行状态和作业状态;俞巧君[3]等将北斗与蓝牙技术应用于物流系统,实现用户实时查询物流状态与位置信息;刘碧贞等[4]将北斗/GPS应用在谷物收割机上,实现对收割机行走路线的测绘,数据的传输及调度等;郭琳[5]则将北斗运用在山区的客运车辆监测上,实现对车辆的实时监测与控制,上述研究侧重点在于对工程机械的实时监测,且都是在成熟的系统中运用,而对于正在研究或不成熟的机械系统来说,机械系统运行的历时轨迹及实时状态对于系统的改进研发具有重要的作用。
基于此,本文结合校企合作开发的高度集成与智能的MT-FR型履带移动机器人，该机器人依托各种传感器、激光器等,可在复杂的环境中实现自身的闭环控制运动与越障、避障等功能。为其设计一个精度满足要求的北斗定位系统,实现移动机器人的定位以及运行轨迹的生成,为查看机器人行驶的整体效果以及后期针对机器人行驶的偏差,对控制系统做出的改进提供参考。
该型移动机器人采用模块化设计、智能化体系架构设计、独特的翻转臂设计和工业级系统设计等,具有丰富的配件系统,具体系统结构如图1所示。
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机器人控制系统作为机器人系统的核心,它包括对机器人语言、图像、网络、运动及其他传感设备的控制,该移动机器人系统主要由上位机和下位机组成[6]。从控制系统的稳定性、可靠性、通用性、兼容性和可扩展性出发,选择嵌入式工业级主板作为上位机控制系统满足以上各方面需求。底盘模块采用TI公司2000系列DSP主控卡作为机器人下位机的运动控制系统,该主控卡主要是针对电机伺服控制开发的,集成了电机控制的各种功能,采用40 MHz工作频率,四级流水线,满足运动控制实时性要求。传感器模块包括超声波传感器、激光传感器、图像传感器等,具有良好的越障与避障功能。北斗定位系统则可以协助移动机器人完成地图的创建、导航、定位以及有效的控制等[7]。臂部模块可在依托北斗系统的基础上准确拾取物品。
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本次在履带移动机器人中应用的北斗定位系统主要由通信模块、北斗定位模块、单片机模块和PC机模块组成,如图2所示。在移动机器人开机后,履带移动机器人的上位机即开始向定位模块下达接收定位数据命令,北斗定位模块执行命令,开始接收来自北斗卫星的数据信号,并过滤出＄BDRMC数据文件将其传送给单片机模块,由单片机模块通过程序分离出经纬度、时间和海拔等信息,并通过RS232串口或USB总线传送给PC机处理及存储。
2.1 通信模块组成
通信模块是各电路互通的桥梁,本次通信模块主要包括无线射频电路、RS232串口电路、PL2303TA及FT245电路。分别完成北斗接收模块与单片机的通讯以及单片机与PC机间的通讯,无线射频模块内部主要由3部分组成,即频率控制部分、频率发生部分及信号接发部分。PL2303TA电路主要用于接收单片机UART1口的数据,并以USB通信模式传给PC机;FT245电路则主要将接收到的并行数据以标准USB方式传给PC机。
2.2 北斗定位模块电路设计
北斗定位模块由北斗有源天线、电源、北斗信号处理芯片等组成,采集北斗定位信息,并输出建议使用的最小定位数据格式,即＄BDRMC格式数据[8]。为了最大限度缓解延迟和提高定位精度,选用北京和芯星通公司生产的UM220-3北斗定位芯片,该芯片是UM220的第三代产品,具有高灵敏度、超低功耗、体积小巧的特点,支持单系统独立定位和多系统联合定位,同时兼容GPS模块,能够在较为恶劣的环境中正常运行。
UM220-3芯片引脚及由外围电路组成的接收电路如图3所示。当启动电源后,红电源灯常亮,一段时间后LED灯开始闪烁,说明定位模块供电正常,且芯片已连上卫星,开始产生定位数据。芯片的TXD1和RXD1与无线通信模块相连,通过该模块实时与单片机相互通信,传输定
位数据及接受单片机指令。J4是北斗模块的接收天线部分,在天线的连接电路上设有电感,用于增强抗干扰能力,确保信号传输稳定。
2.3 单片机控制电路
单片机模块是定位系统的核心部分,负责接收北斗接收电路输出的＄BDRMC格式数据并处理。模块的主控制器选用C8051F020型单片机,该型单片机是完全集成的混合信号系统芯片,单周期指令运行速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍,且具有丰富的内部功能与外部接口,完全满足北斗信号数据的接收与处理要求[9]。其两个UART串行接口和P1、P2、P3口为定位数据传输接口,负责接收与发送。为保证程序的快速、准确、稳定、有效的运行,采用C8051F020开发板上的外部晶振,震荡频率为22.118 4 MHz,同时将单片机上所有的电源脚与地脚都连接起来,并在各电源附近配置一个0.1 μF的滤波电容,确保电源信号平顺,单片机模块持续正常稳定工作。
将已安装北斗定位系统的履带移动机器人行至户外开阔地,打开机器人电源开关,机器人上位机即命令定位系统开始工作,由于定位芯片冷启动,所以十几分钟后显示器开始显示经纬度与高度等信息。本次试验选择工程学院B楼的侧门为起点,正门为终点,持续时间约20 min,为保
证实验数据的准确性,在相同环境要素下进行了多次试验,每次试验结束后将该次试验的记录数据保存。
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