基于Zigbee技术的全方位移动机器人本体设计

　　1.引言

　　1998年日本东京大学井上研究所提出的“远程脑”概念，是移动机器人控制体系结构的进步。近年来，移动机器人的应用领域和应用范围正逐渐拓宽，全方位移动机器人由于具有平面运动的全部三个自由度，理论上可以在任何角度以任何速度在机器人所处平面上运动，因此具有广阔的应用前景和良好的社会效益。本文在远程脑的基础上，提出了远程小脑的概念，将远程脑概念分为远程大脑和远程小脑两部分。远程大脑同样安装在机器人体外，远程小脑则安装在机器人体内，两者之间以及机器人之间采用Zigbee模块构建通讯网络。这样，远程大脑控制远程小脑，向远程小脑下达各项指令和命令，再由远程小脑控制机器人体内的各个功能模块，指挥机器人完成各项任务，并且机器人之间可以通过组网，实现信息交换和资源共享。

　　2.全方位移动机器人本体设计

　　基于远程脑的类人机器人本体采用模块化设计，其结构框图如图1所示，包括智能模块(小脑)、无线通讯模块、机械手控制及驱动模块、车体运动控制及驱动模块、传感器信号采集及处理模块、语音模块等。

　　图1 机器人本体结构框图

　　2.1 无线通讯模块

　　由于机器人大小脑分离，且机器人有一定的活动范围，因此，本设计采用无线通信模块进行远程大脑和机器人小脑之间的信息传输，省掉了通信线缆，便于机器人移动。远程大脑处理操作者的命令，并将处理后的控制指令进行编码后，通过无线传输模块发送到小脑，小脑接收命令后，经过分析、判断，将分解的指令传送至各运动模块的控制器，同时小脑将采集的各种信息编码后通过无线通讯模块传送至大脑。考虑到远程大脑和小脑之间命令传输的准确性、快速性以及通讯距离的远近等要求，本设计选用了Chipcon公司的基于ZigBee协议的CC2420EM射频模块。ZigBee是一种新型的短距离无线接入技术，与蓝牙相比，它具有低成本、低功耗、组网方便、可实现自路由功能和数据的可靠传输等优点[4]。CC2420是Chipcon公司推出的首款基于ZigBee技术的射频收发器。它只需极少数外部元器件，性能稳定且功耗极低，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网[5]。CC2420EM模块集成了CC2420及其所需的外围电路。机器人小脑与射频模块的具体接口电路如图2所示。单片机通过4线SPI总线(STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1)控制和设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP引脚接口的状态可设置发射/接收缓存器，FIFOP引脚必须连接到单片机的中断引脚。通过CCA引脚状态可以得到空闲信道估计。通过SFD引脚状态可以得到发射帧和接收帧的定时信息从而判断系统的工作状态，SFD引脚应该接到单片机的时钟捕捉引脚。