ZigBee無線通信方案在多自由度機械手控制系統中的應用研究

付凱升，張樂年

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引 言

LAMOST望遠鏡是一個鏡面由37個高度和角度均不相同的對角線長度為1.1 m的六邊形子鏡組成的大型拼接望遠鏡。其中心位置距離地面約10.11 m，且與水平面成約65°夾角[1]。該望遠鏡工作環境惡劣，鏡面需要定期進行維護和清理。但由于該鏡面重量過大、造價過高、安裝位置不易到達，所以不適合人工拆卸，因此需要專門設計一個用于鏡面拆裝的機械手。該機械手必須滿足兼有大跨度、長距離和小位移以及高精度的工作特點。為此設計了一個多自由度的機械手來完成復雜而精準的動作[2-5]。自由度的增加導致該機械手的驅動電機較多，因此控制該機械手運動所需的控制板也相應增加。此外，該機械手基座位于一個與水平面呈45°夾角的斜坡上，如果采用傳統的線纜通信會給現場布線、設備運動和后期的維護增加困難。

為實現該機械手復雜而精準的運動，完成望遠鏡拆裝的任務，本文將針對該系統中的無線網絡通信系統的實現進行研究，并對相關性能進行試驗驗證。

1 總體設計方案

1.1 機械手系統總體方案設計

該機械手系統由工控機、遙控器、無線網絡、控制柜和執行機構5部分組成。工控機部分為操作人員提供監測機械手狀態和控制機械手完成任務的操作界面[6]。遙控器部分作為工控機的一個補充，便于操作人員在便于觀察的位置對機械手進行控制，無線網絡則完成工控機和遙控器與控制柜以及機械手各機構的傳感器與控制柜之間的通信。一方面實現工控機和遙控器與控制柜之間的通信，另一方面將機械手的傳感器信息發送給工控機。控制柜通過下位機程序控制機械手完成指定動作并將機械手的實時狀態反饋給工控機。執行機構在下位機的控制下完成指定動作，實現相應功能。為了防止出現意外情況而對機械手和望遠鏡造成損傷，該機械手系統還配有一個緊急停車按鈕，該按鈕通過系統物理斷電來實現緊急停車。

系統整體結構如圖1所示。

圖1 機械手系統結構圖

該機械手的控制由操作者通過工控機上的操作界面或手持遙控器來完成，為非周期控制。當機械手需要在某個方向上運動時，操作者會通過控制軟件設置機械手相應部位的運動參數，然后等待機械手運動完成。

1.2 通信系統總體方案設計

該系統的無線通信系統主要由中心節點、控制板卡節點、傳感器節點、工控機節點和遙控器節點組成。

中心節點作為整個網絡的協調器，負責網絡的創建和維護。控制板卡節點作為相應機構傳感器的父節點，負責上下位機的通信和管理傳感器節點并與其通信。一方面，控制板卡節點負責將工控機發送過來的指令通過串口發送給控制板卡，實現上位機對機械手運動的控制[7]；另一方面，控制板卡節點負責將控制板卡要發送給上位機的數據發送到工控機，實現上位機對機械手實時狀態的監控。此外，控制板卡節點還需要接收來自傳感器節點的報警信息，并將其轉發給控制板卡進行處理。傳感器節點則負責監測各個運動機構的位置是否在安全范圍，并及時將報警信息發送給控制板卡節點。工控機節點主要負責將上位機發送過來的命令消息通過網絡傳輸給相應的控制板卡節點，并接受來自控制板卡節點的消息。遙控器節點與工控機節點類似，負責將遙控器的控制信息通過中心節點轉發給相應的控制板卡節點，但其不需要接收來自控制板卡節點的信息。其結構如圖2所示。

圖2 無線通信系統結構圖

2 系統硬件設計

該設計中的無線通信系統采用的是基于ZigBee的無線網絡通信系統。一般的ZigBee網絡由協調器、路由器和終端節點組成。根據該系統的具體情況，此無線網絡由作為協調器的中心節點、與其通信的控制板卡節點與工控機節點和遙控器節點以及檢測機構運動位置的機構傳感器節點組成。

2.1 ZigBee技術簡介

ZigBee是與組網、安全和應用軟件有關的技術標準，能在數千個微型傳感器之間協調通信，其通信效率非常高。ZigBee常見的拓撲結構有3種，分別為星形拓撲結構、網狀拓撲結構和樹簇形拓撲結構。

星型網絡結構的特點是只能實現協調器和終端節點之間的通信，該種網絡結構的優點是結構簡單、成本低。

樹簇狀結構成本低，而且覆蓋的面積較大，能夠實現“多跳”功能，缺點是任何一個節點的信息安全都會影響整個網絡，網絡的性能較差，不適合動態的環境。

網狀結構具有自組織、自愈功能，而且適應環境能力強，具有較強的系統可靠性和網絡的健壯性，缺點是路由模式不固定，瞬時網絡的連接質量決定了網絡傳輸的時間，網絡更加復雜，功能也相應的增加[8-10]。

ZigBee網絡拓撲結構示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee網絡拓撲結構示意圖

2.2 ZigBee無線網絡設計

該通信系統所需的無線網絡主要實現以下幾個功能：(1)完成將上位機和遙控器的控制指令轉發給控制柜；(2)完成將控制柜所獲取的機械手運動過程中的實時狀態發送給工控機；(3)完成將機械手各個運動機構的傳感器信息發送到控制柜。該系統的傳感器節點只需與其相關的控制板卡節點進行通信，所以傳感器節點作為控制板卡節點的子節點加入網絡。控制板卡需要同時與中心節點與傳感器節點通信，故其作為路由器加入網絡。控制柜和機械手只需要和控制板卡進行通信，故其可以作為終端設備，加入網絡即可。綜合考慮，本方案采用樹簇形網絡拓撲結構。

在該網絡結構中，中心節點為協調器，該節點的作用是建立網絡并配置網絡的相關參數，提供給其他設備加入網絡，此節點使用全功能設備(FFD)。5個控制板卡所在的網絡節點分為一個父節點和若干子節點。一方面，父節點接收工控機和遙控器發送過來的信息，然后交給控制板卡進行信息處理，并將控制板卡的反饋信息發送給工控機；另一方面，父節點還要接收來自機構傳感器節點的信息。由于精簡功能設備(RFD)只能與FFD設備進行通信，故控制板卡節點只能用FFD。機構傳感器節點只與相應的控制板卡進行通信，該節點均采用RFD。工控機和遙控器只與控制板卡節點進行通信，且不需要對消息進行路由，所以這兩個節點采用RFD。

工控機或遙控器控制機械手運動時，工控機和遙控器發出的消息經過中心節點的路由轉發給相應的控制板卡節點。控制板卡接收到命令消息后對消息解析并進行響應。機械手在運動過程中，控制板卡會周期性的將機械手的實時位置信息通過中心節點發送給上位機，以便操作者監測機械手的實時狀態；同時機械手的傳感器也會檢測機械手的位置，并將報警信息發送給其父節點。

2.3 網絡節點設計

該無線網絡節點主要由CC2530模塊、電源模塊、復位電路和外圍接口電路組成。CC2530模塊作為網絡節點的核心，主要負責網絡的建立和維護；其次，該模塊負責將通過串口或傳感器接口接收到的數據發送到目的節點，或者將從網絡接收到的數據通過RS232串口發送給工控機或控制板卡；除了必要的供電電路和用于下載程序和調試的JTAG接口外，網絡節點還有防止程序跑飛的復位電路。

網絡節點整體結構如圖4所示。

CC2530模塊結合了德州儀器的ZigBee協議棧(Z-StackTM)，具有自組網功能，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器，微控制器使用1個8位增強型MCU，具有32/64/128/256 KB可編程閃存和8 KB的RAM。該芯片具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16 MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4 GHz頻段上工作，完全可以滿足IEEE802.15.4標準和ZigBee技術標準的無線網絡技術設計開發需要[11]。

為了滿足傳感器和芯片的不同供電方案，該設計采用24 V直流供電，然后通過電壓轉換芯片SPX1117-3.3獲得芯片所需的3.3 V電壓。該網絡節點采用了SP706SEN看門狗芯片來實現獨立于單片機的復位電路。該設計中采用美信公司的MAX232芯片來實現串口通信所需的電平轉換。該方案中采用了東芝公司(Toshiba)的TLP521-4光電耦合器件，實現不同供電系統的信號傳遞。

3 系統軟件設計

3.1 協調器程序設計

協調器首先上電初始化，通過對指定信道或默認信道進行能量檢測，以探測可能存在的網絡或干擾；然后在已存在網絡最少切干擾最低的信道建立網絡；成功建立網絡之后進入監聽模式，接受節點加入網絡或進行消息路由。其程序流程如圖5所示。

圖5 協調器程序流程圖

3.2 控制板卡節點程序設計

控制板卡節點作為傳感器節點的父節點，不僅需要自己加入網絡，還需要允許其子節點通過它加入網絡。該節點負責處理其子節點的入網請求并對其子節點進行管理。控制板卡節點不僅需要與協調器通信，接受來自協調器的信息并將控制板卡要發送的信息通過協調器轉發到上位機，而且控制板卡節點還要接收其子節點的報警信息。故其程序流程為上電初始化系統加入網絡，然后進入監聽模式。在監聽模式中，控制板卡節點會處理子節點加入網絡的請求、接收和發送數據。其程序流程如圖6所示。

圖6 控制板卡節點程序流程圖

3.3 傳感器節點程序設計

傳感器節點主要負責檢測各運動機構的運動位置是否超出安全范圍，并將報警信號發送給對應的控制板卡節點。每個ZigBee終端傳感器擁有唯一的通信地址，根據此地址來判斷是哪個機構的位置狀態。當傳感器接口接收到異常信息時將發送報警信號給控制板卡節點。傳感器節點程序流程如圖7所示。

圖7 機構傳感器節點程序流程圖

3.4 通信方案設計

上下位機通信是一個主從通信的過程，通信由上位機發起，下位機接收到上位機的命令之后被動的進行回應。下位機接收到上位機的命令之后，根據通信協議對命令進行解析，然后做出響應。當上位機命令為狀態查詢指令時，下位機會將相應的狀態進行一次反饋，如果上位機在規定時間內沒有接收到下位機反饋的狀態信息則會收到提示，由操作者決定是否讓下位機重發。當上位機命令為運動控制指令時，下位機會以1 Hz的頻率向上位機反饋當前運動機構的實時位置，以便操作者觀察機構狀態。其穩定回傳的數據量為幾十字節。

由于上位機命令的優先級高于下位機反饋的消息，要保證該方向上消息的傳遞在限定的時延內，故對時延有一定的要求。由工控機和手持遙控器發向下位機的消息是在超幀時期的非競爭接入時期采用時分多址接入方式發送，而下位機向上位機反饋的消息對時延要求不高，則在超幀時期的競爭接入時期來發送。

上、下位機之間的通信是以數據包的形式進行的，比較可靠的數據協議通常由以下幾部分組成：包頭、地址信息、數據長度、數據類型、數據塊、校驗碼和包尾。本系統中針對上位機命令數據和下位機反饋數據設計了兩種不同的數據格式。其各部分定義如表(1，2)所示。

表1 上位機命令數據包

表2 下位機反饋數據包

4 系統測試與工程實現

4.1 系統測試

筆者在實驗室模擬系統結構搭建了一個相同的無線通信系統，使用電腦端的串口助手通過RS232串向節點發送數據，將目的節點與另一電腦串口相連，將接收到的數據在串口中顯示。

遠距離通信測試中，在無任何遮擋且通信成功率達99%時的遠距離通信的范圍為80 m。上位機節點到下位機節點的通信時延不到0.5 s。加上中間節點之后，在150 m以內的通信成功率可達99%。測試結果如圖8所示。

4.2 工程實現

原來的有線通信系統控制方式有幾個突出問題：(1)由于線纜過多導致機械手運動不靈活；(2)經常性拖拽線纜使得線纜連接出現松動甚至脫落；(3)由于工作環境惡劣，長期工作于零下十幾度的環境導致線纜變脆，出現機械手癱瘓；(4)由于結構復雜而導致現場布線過多，當出現問題時排查和維護難度大。

經過現場安裝調試，該通信方案在保證機械手正常運動的前提下通信穩定、成功率高達99.99%。在工作人員的協同操作下，該機器人可以很好的完成LAMOST望遠鏡子鏡的拆裝工作。整套系統完成一塊子鏡的安裝或拆卸過程大約需要2 h。基本達到了拼接望遠鏡在整個維護周期內鏡面均在只缺少一面子鏡的情況下正常工作的理論裝卸速度。與之前的拆裝方法相比，本系統很好地完成了子鏡拆裝的任務。

(a)發送節點串口助手截圖

(b)接收節點串口助手截圖

5 結束語

本文對ZigBee無線通信方案在多自由度機械手控制系統中的應用進行了研究，設計了一個基于該技術的用于多自由度機械手控制的無線通信系統，解決了由于空間狹小、位置特殊而帶來的布線困難等問題，提高了機械手控制的靈活度，降低了該機械手后期維護和升級的成本和難度。

參考文獻(References):

[1] 褚耀泉. LAMOST科學觀測計劃[J].中國科學技術大學學報，2007，37(6)：591-595.

[2] 王 坤.基于機器視覺的大型拼接望遠鏡子鏡裝卸控制系統的研究與實現[D].南京：南京航空航天大學機電學院，2013.

[3] 張利平.液壓傳動設計指南[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4] 史敬灼.步進電動機伺服控制技術[M].北京:科學出版社，2006.

[5] 熊立貴，皮陽雪，陳海生.多自由度工業機械手的開發與研究[J].機電工程技術，2016，45(1)：24-28.

[6] 孫 鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社，2006.

[7] 張筠莉，劉書智. Visual C++實踐與提高——串口通信與工程應用篇[M].北京：中國鐵道出版社，2006

[8] 鐘永峰，劉永俊. ZigBee無線傳感器網絡[M].北京：北京郵電大學出版社，2011.

[9] FARAHANI S. ZigBee無線網絡與收發器[M].沈建華，王維華，闊鑫譯.北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[10] 金 純，羅祖秋，羅 鳳，等. ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.

[11] Texas Instruments Incorporated. A true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[M]. Texas: Texas Instruments Incorporated，2011.