发两篇有关无线数传与机器人的文章

wudi

最近一直在做课题，陆陆续续钻研了一些课题中要用到技术，并写成文章。错误之处还望大家指出。









无线智能小车控制系统



吴笛 2005年10月29日



实物照片：







概要：

本系统由上位机控制软件，无线串口收发模块，子机控制主板，子机机械执行部分等构成。由上位机（电脑）控制软件或人作出决策，把命令通过串口传给半双工无线串口通讯模块发射，又由子机的无线通讯模块接收命令，交给子机MCU处理后由机械执行机构执行。同时子机MCU可采集传感器数据，再通过无线通讯反馈给上位机，上位机可通过此数据做出决策。









技术细节：



（1）        上位机软件

使用VB开发。通过MSComm控件来发送和接收串口数据，通过对子机发来数据的处理或由人控制作出决策，然后再通过串口发送出去。



例程：手动控制小车运动的简易程序：



Dim x As Integer

Dim s As String



Private Sub Form_Keydown(KeyCode As Integer, Shift As Integer)

If s <> Chr(KeyCode) Then

MSComm1.Output = Chr(KeyCode)

s = Chr(KeyCode)

Label1.Caption = Label1.Caption + Chr(KeyCode)

End If

End Sub



Private Sub Form_KeyUp(KeyCode As Integer, Shift As Integer)



MSComm1.Output = "0"

s = "0"

Label1.Caption = Label1.Caption + "0"



End Sub



Private Sub Form_Load()

MSComm1.CommPort = 1

MSComm1.Settings = "4800,N,8,1"

MSComm1.RThreshold = 1

MSComm1.SThreshold = 1

MSComm1.PortOpen = True

End Sub

   

Private Sub MSComm1_OnComm()

Select Case MSComm1.CommEvent

Case comEvReceive

Label1.Caption = MSComm1.Input

Case comEvSend

End Select

End Sub





（2）        无线通讯PC端

本系统使用的无线通讯模块是上海桑博电子科技有限公司生产的STR-18型微功率无线通讯模块。它的调制方式是FSK半双工，波特率为1.2Kbit – 9.6Kbit。提供8个可选信道，频率为433-919MHz，发射功率10mW，灵敏度-105dBm，工作电压3.6 –5.5V，可支持TTL/RS232/RS485三种电平标准，有效距离400M。

此模块虽然支持3种电平标准，但是实验表明当1方为RS232电平，一方为TTL电平时是没有办法正常传输数据的。所以在信号从上位机到达无线模块之前，先要进行电平转换。这里使用的是MAXIM公司生产的MAX232电平转换芯片，把电脑的RS232电平转换为TTL电平后再交给无线模块发射。

此模块并不自带电源稳压的功能，所以又使用了一片7805给MAX232芯片与无线通讯模块供电。电平转换与电源稳压被做在了一块小的电路板上，固定在了无线通讯模块后面。

由于串口盗电并不是非常稳定，功率也不大，所以这里使用了9V堆叠式干电池给前者单独供电。



（3）        无线通讯子机端

无线通讯子机端所采用的无线通讯模块和上位机端是一样的。由于先前已经作过电平转换，所以单片机可以直接通过无线通讯模块收发数据。子机端的模块配置必须与上位机通讯模块相同，既波特率相同，信道相同，数据位相同才能正常通讯。模块与单片机共用一个5V稳压电源。



（4）        子机控制端

目前本系统所采用的子机控制电路为本人设计的WUDI-T型机器人控制主板。它使用ATMEL公司生产的ATMEGA 16芯片作为主控芯片，ST公司生产的L293桥芯片作为马达控制芯片。它有电源稳压，LCD显示，PWM控制2路马达，一个三极管驱动，1个LED，一个按钮，一个蜂鸣器，8位拓展口等功能。串口通讯的引脚在WUDI-T上被预留了出来。WUDI-T型机器人控制主板是一个简易的控制主板，它可以完成所有的基本任务。





子机控制端的程序使用BASCOMAVR来编写。

（5）        子机执行端

子机执行端为一辆电动小车。它的动力来源为2个直流马达，电源为4节干电池或充电电池。前方有一个万向轮，底盘为单面覆铜板所制。



（6）        子机传感器

目前并没有添加传感器的需要。如果添加，可以采集地面颜色，声音，环境光等环境变量。甚至可以安装无线摄像头在子机上。传感器暂时不在研究范围内。







发展和改进的方向：

本系统应为多机器人同时由一台上位机控制，同时由上位机来协调他们的运动和任务。通讯方面即上位机为主站，单片机为从机，通过主从机制来完成通讯。

wudi

多智能体合作通讯的设计

                             吴笛 2005.11.5



总体框图：





设计要求：

设计一套符合上图的上层通讯协议，可以完成上图所有的任务。



OSI七层参考模型



应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层



按照OSI 7层协议模型，在此数据链路层和物理层已经通过异步串行通讯协议UART定义，所设计的上层通讯协议是基于UART的。



设计思路与框架：

由于数据链路层与物理层都已经定义，所以还须定义网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。



协议基本结构：



OSI七层模型        多智能体协议模型            功能说明

应用层                     控制层        马达控制，A/D转换

表示层                                   命令，数据格式协议

会话层                规则层        从机发言顺序协议

传输层               

网络层                                   主从机地址协议

数据链路层            通讯层        UART串口通讯协议

物理层               



我将所构思的协议划分为三层，既控制层，规则层和通讯层。控制层相对应的是OSI中的应用层和表示层，其作用是理解和执行命令，采集环境变量并传回数据。规则层相对应的是OSI中的会话层，传输层和网络层，其作用是确保网络中没有人同时发言，确保从数据到达正确的目的地。通讯层相当于OSI中的物理层和数据链路层，在这里使用了UART串口通讯协议，通过此确保字符被正确地发送和接收。



1．        通讯层



通讯层是三层中最底层的一层。它是上面两层协议的基础。在这里我们使用UART串口通讯协议。协议的具体细节在VISUAL BASIC和BASCOM AVR中都已经制定好，只须采用现成的函数即可实现通讯层的数据链路层。

我们通过上海桑博电子科技有限公司生产的STR-18型微功率无线通讯模块来实现通讯层中的物理层。它通过无线方式来传输数据，使机器人可以灵活移动。

硬件连接方法为所有的子机RXD，TXD都并联，上位机的RXD与所有子机的TXD连接，上位机的TXD与所有子机的RXD连接。这样，上位机可以与所有的子机通讯，但是子机与子机之间不能直接通讯，需要经过上位机中转后才能通讯，并且同时只能有一个子机发言。



2．        规则层



规则层对应了会话层，传输层和网络层三层，然而我们只需要实现网络层和会话层。因为机器人为单进程系统，无须考虑将数据分发到指定进程的问题。

网络层对机器人的地址作出了规定。上位机的地址为OxOO，子机的地址为0x01至OxFF。地址码大小为00至FF，即支持255台子机和1台上位机。

网络层把数据包的结构定义为：第一个字节是目的地址码，第二个字节为发送机地址码，最后一个字节为结束标志Chr(13)，中间为数据。数据中不可出现Chr（13），否则程序会误认为数据包已经接收完成。





数据包结构示意图



数据包接收完成，即接收到Chr(13)后，开始分析数据包。首先检查数据包的第一个字节，若该字节与自身的地址码相符，则继续处理该数据包；若不同，则丢弃该数据包。

确认该数据包是属于自己的以后，再把数据和发送地址交给控制层协议处理。







在子机和子机之间也要通讯的时候，上位机充当了一个数据中转站的角色。当上位机接收到目标地址不为0x00的数据包时，则通过TXD把该数据包发送出去。



由于所有子机的TXD在同一条线上，如果有两台子机同时发送数据就会导致上位机无法正确接受数据，所以我们要通过协议来确保每时每刻最多只有一台子机在发送数据。这就是会话层在此要解决的主要问题。

这里使用了主从结构，从机不主动发送数据，一切由上位机控制。当上位机想让A机和B机发送数据时，上位机就对大家说“A，向我汇报情况”，然后A机说“我是A机，一切正常”，A说好后，上位机又说“B，向我汇报情况”，然后B机说“我是B机，一切正常”，通讯结束。

如果上位机说好“A，向我汇报情况”后，A机超过100MS没有反映，则再次重复。若A机超过500MS没有反映，则上位机就认为A机不正常，跳过A机询问B机。

由于在数据包头已经包含了目标地址码，所以在命令子机发送数据时命令中无须再出现地址码。我规定，“TALK*”为让子机发送数据的命令。

上位机每次请求子机发言，都必须是在上一次通讯结束后才能开始下一次通讯。否则会引起总线冲突。同时询问的次数必须考虑传输的波特率与子机的计算速度，否则会导致整体效率低下。



3．        控制层



控制层为上层协议，主要任务是与环境，人交互和控制机械部分完成实际的任务。它是直接面对我们的一层协议。

控制层要完成的任务为：按命令控制马达与舵机，采集传感器数值并发送，采集人的决策或根据传回的数据自动作出决策，协调各机器人的运动和任务分配等。

我规定，一条命令由两个字节组成。第一个字节为设备代码，第二个字节为状态代码。每个数据包可以包含多条命令，由于设备代码只有256个，所以每个数据包的长度最多只有515字节，因此无须分割。

每个设备都有其自身独立的设备代码，并且设备状态对其有实际的意义。由于状态代码为0-255，所以每个设备最多只能有256种状态。因此PWM信号的精度最高只能为1/256。

当子机接收到了有效数据时，便将其第一条命令剥离，解释，执行，然后再把第二条命令剥离，解释，执行，直到全部命令都被剥离完。

上位机首先做出决策，例如“A往左，B往右”，然后分离为“A往左”和“B往右”，接着分离为“A的1号电机反转，2号电机正转”，“B的1号电机正转，2号电机反转”，最后分为2个数据包发送出去。

ghost2

wudi兄弟不用上课了？

wudi

当然要上，只是今天生病了

zhou_1989

wudi兄病了？？慰问一下。

对于osi的实际应用值得借鉴。

小车能翻过来拍一张吗？想看一下机械部分。谢谢。

zhou_1989

今年创新大赛我们见过的，你在一个激光超载检测的边上，项目是微量精密取液器是吧？

我就是一直跑到激光器便上来的那个，不知你还有没有映像。

wudi

想不到我们居然见过！

你是哪个课题的？我记得有不少人跑到那来的。

wudi

zhou_1989

我当时是一个低功耗待机节电器。连那本红色的获奖名单我们都在前后！你是94号，我是93号。

zhou_1989

你的工作台让我想到了我们的实验室。那个在焊东西的人是我。



右起第二个是我。
-----此内容被zhou_1989于2005-12-12,20:29:55编辑过

wudi

彻底想起来了

ghost2

唉，各个年少有为呀。

怀念学生时代。

HJJourAVR

wudi，其实无线数传有更好的选择:

nRF905，带硬件CRC和地址检查，简单可靠。虽然每个包最长只有32字节，但对机器人控制来说，已经足够了。

这个软件通讯协议就非常简单了。

sendbow

吴迪同学，你做得很不错。

上海桑博电子科技有限公司特赠送你壹对STR-18无线模块，以此鼓励。

具体领取办法已发到你的邮箱内，请查收。



联系人：左国平

电话：021-50807785-803   13816690692

cdle

STR-18无线模块的零售价格是多少？

wxxmickey

中国的机器人有了希望！

ppfish

真牛

Recoochang

后生可畏　可为！

johu

我真没见  比买的遥控车有什么优越



价值体现在呢？！？！？！？？！

icl7650

目前的机器人商业价值都是很有限的。

至于lz的这些东西，价值就在于为中国的未来培养人才吧。

wudi

18楼：



可以写协议，可以加密码，可以传输文件，可以干很多事情。



我不是做产品的，这篇文章的意义并不在于怎么做遥控车，而在于无线数传模块在机器人上应用的基本框架

icl7650

什么时候搞一个扩频数传模块就爽了

draapho

无敌的精神在于兴趣！教育能鼓励学生这样就好了。。。

现在不用拿出产品市场之类的来说吧，太功利了。

gcc4isr

厉害啊,我上高中的时候除了做题还是做题.本以为到大学就可以按兴趣学习了,发现还是做题!

makel

不错，加油啊　

freerobot

顶不错，那个小车子我喜欢，呵呵

dzh2800

顶不错，那个小车子我喜欢，呵呵

hamcq

确实无敌完了，加油！！

RichieLong

我现在正想做一个机器人 但是我想传输视频 短距离 不知该选什么型号的芯片来做无线这一模块

zhou_1989

这个，方便的话去买视频传输模块吧。400M、2.4G的都有。
这个发射挺烦的。

mavericklx

不错的小车

xiaolei0428

确实无敌了

lrbdh

太牛了，小生佩服！