摘要：机器人的准确定位是其完成导航、控制任务的关键。本文针对一套自主研发嵌入式系统机器人，研究了机器人的定位技术，文章主要从硬件系统和软件系统两个方面进行阐述。
关键词：嵌入式系统；机器人；定位技术
随着机器人性能不断地提高，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等场合也有很好的应用前景。因此，移动机器人技术已经得到全世界的普遍关注。
一、硬件系统
本课题所设计的的嵌入式系统的机器人定位系统按照功能可以划分为五大部分：机械结构子系统、传感器子系统、机器人供电子系统、定位子系统和上位机。其硬件体系结构框图如图。
图3.1硬件体系结构框图
机械结构子系统：本课题研究所用的移动机器人实验平台为学校自主开发，机械结构部分主要包括车身、电机、车轮及车轴连接件等。采用三轮结构，前轮为万向轮，两个后轮为差动驱动轮，由两个直流电机驱动。机械结构子系统是轮式机器人定位系统的载体，但在实验过程中定位子系统也可以脱离机械结构子系统单独进行调试。
传感器子系统：使用TI的16位模数混合处理芯片MSP430F149为核心，控制相关传感器，为定位提供当前周围环境测距、加速度、角速度和罗盘方位等信息。设计了RS-485及RS-232接口，并使用工业级Modbus协议与上位机平台进行通讯。
GPS定位子系统：以HOLUX公司的GR-87型GPS定位模块为卫星接收模块，微控制器为TI公司的MSP430系列中的F149型单片机，对符合NMEA-0183协议的地理位置信息进行解析，然后在MzLH04-12864点阵LCD模块上显示当前位置与运动信息，以方便调试。同时通过RS-232串口按照Modbus协议的RTU模式与上位机进行通讯。
机器人供电子系统：由两块铅酸蓄电池和机器人专用电源模块组成，给各个子系统供电。除了提供+5、+9、±15和+24输出外，还具有电压电流监测，过流保护，电池的过充过放保护等功能。
上位机电子地图定位软件系统：通过RS232串口以Modbus协议的RTU模式分别与GPS定位子系统和传感器子系统进行通讯。
二、软件系统
本课题的软件系统按照结构体系分为三大部分：GPS定位子系统、传感器子
系统和上位机电子地图定位软件系统。按照控制结构分为三个层次：传感器层、
信息处理层和上位机显示综合层，如图3.2所示。
第一功能层：传感器层。该层主要由三轴加速度检测、电子罗盘方向检测、超声波测距检测、三轴陀螺仪角速度检测、GR87卫星定位模块组成，分属于传感器子系统和GPS定位子系统，用于采集机器人的经纬度坐标、运动状态与环境信息。各模块都有相应的信号调理电路，并通过一定的接口（RS232，SPI等）与所属的子系统控制器相连接。
图3.2软件体系层次图
第二功能层：信息处理层。GPS定位子系统主要从事NMEA-0183协议的解析工作，采取串口中断触发模式，然后分析从GR87卫星定位模块收到的信息并进行解析，再经过时间调整等一系列处理，最后存储在缓存区，等待上位机的命令，如果需要就按照Modbus协议发送定位信息数据帧给上位机。同时实时显示当前的位置与运动状态信息，以及有关卫星的信息。传感器子系统主要完成对当前环境测距、加速度、角速度和罗盘方位等信息的采集和处理功能，并可以与通过Modbus协议上位机通讯。
第三功能层：上位机显示综合层。电子地图定位软件采用VisualBasic6.0语言开发，以GoogleEarth中的三维立体卫星拍摄的实景图片作为地图，更加生动直观，可以方便的找到参照物。该软件定时通过Modbus协议与GPS定位子系统和传感器子系统进行通讯，得到移动机器人的实时位置状态、运动状态与环境信息，并通过地图界面显示出来。同时还具有距离测量，运动轨迹显示等功能。在用户输入基准点经纬度坐标后，还可以根据差分GPS定位原理进行差分定位，进一步提高定位精度。
信息处理层定时从传感器层获取信息，并进行处理，将处理结果存储至缓存区，然后等待上位机显示综合层的命令。上位机显示综合层通过与两个子系统之间按照Modbus协议获取信息，并综合处理再显示。
结论
本文基于一套自主研发的轮式机器人，研究了移动机器人的定位技术，设计了该轮式机器人基于全球定位系统的定位体系结构，实现了基本的定位与电子地图功能，切实提高了该轮式机器人的自动化水平，为后续研究提供了良好的软硬件平台。
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论文作者:桑运晓,刘同壮,贾超伟,潘俊朋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/31
标签：子系统论文; 机器人论文; 上位论文; 传感器论文; 信息论文; 协议论文; 结构论文; 《电力设备》2017年第25期论文;