履帶裝卸機器人遙控系統的通信策略研究

姜玉亭，楊建波，陳康，李佳，康佳勝

（桂林電子科技大學，廣西桂林，541004）

1 機器人遙控系統的總體設計

■1.1 遙控系統總體需求與總體設計方案

考慮到作業環境的復雜性和通信可靠性要求，可采用有線和無線相結合的通信方式，根據作業情況進行合理選擇。為保證裝卸機器人控制系統具有良好的響應特性和模塊擴展性，采用基于無線射頻技術的無線遙控系統、基于485總線的有線遙控系統和基于CAN總線的控制器間通信系統。無線遙控系統由用戶手持操作終端和車載終端兩部分組成，支持兩終端間的雙向通信。用戶手持操作終端，集成模擬手柄、鈕子開關、急停開關、旋鈕等操控部件，接受用戶操作指令，通過數據采集模塊將操控部件的狀態信息轉換為數字信息，按照固定的編碼協議打包封裝，通過無線通信模塊傳送出去，并通過液晶模組顯示遙控狀態與車載終端回傳的信息。車載終端負責接收、解碼并執行用戶的控制指令，通過CAN 總線將控制指令傳輸給車載主控制器，由主控制器驅動現場電磁泵、比例閥、繼電器等設備動作，并接受現場設備狀態信息，反饋給手持操作終端。

■1.2 對無線通信的要求及無線通信模塊選型

無線遙控系統發出的指令要準確地被執行，否則將造成嚴重的安全隱患和難以挽回的損失；裝卸機器人對無線遙控的實時性要求較高，過長的延時會降低設備工作效率或造成誤動作；裝卸機器人常工作在室外，其無線信號傳輸易受各種干擾信號的影響；履帶機器人裝卸作業屬于對安全性要求較高的情況，需保障其作業控制的可靠性；因此，對于履帶機器人的無線遙控系統的要求其傳輸距離遠、傳輸準確度高、抗干擾性強、工作安全可靠、低功耗等[1]。

通過對比藍牙、ZigBee 以及無線射頻等無線通信技術，本系統采用無線射頻技術，選用射頻模塊并通過設計通信協議來完成無線數據通信的功能。依據工信部《無線電頻率劃分規定》和我國無線電其他相關法律法規，工業遙控器的無線通信頻段多為ISM 頻段，即工業、科學、醫用頻段,包括433MHz、869MHz、2.4GHz等[2]。其中433MHz具有穿透性強、通訊距離遠、功耗低等優點，在工業領域應用較為廣泛，技術相對成熟。因此，選擇433MHz 頻段的射頻模塊E62-433T20D。

E62-433T20D 是“點對點”傳輸的全雙工無線數傳模塊（UART 接口），透明傳輸方式，工作在425～450.5MHz頻段（默認433MHz），發射功率100mW，使用串口進行數據收發。模塊具有跳頻擴頻功能（FHSS），支持FEC 前向糾錯，抗干擾性好，通信穩定性高，且具有時分全雙工特性（TDD）。

2 無線通信協議設計

■2.1 可靠通信的策略研究

（1）選擇通信可靠性高的無線數傳模塊

選用的E62-433T20D 模塊具有跳頻擴頻功能（FHSS），模塊在數傳過程中收發雙方會根據跳頻算法自動在多至52個頻點中同步跳變，模塊的抗干擾性好。模塊支持FEC 前向糾錯，通信穩定性高。

（2）設置遙控器配對地址碼

針對一個工業現場可能存在多臺遙控設備同時使用的情況，且這些設備處于同一頻段時，勢必造成相互間通信干擾的情況。本遙控系統在每臺遙控設備上都嵌入了唯一標識碼，稱為地址碼。配對地址碼信息也嵌入到遙控器終端硬件中。在在通信時發送端將地址碼同數據一同打包傳輸，當接收端收到數據包，先判斷是否為正確的發送端地址，若是，則接收；若不是，則丟棄。

（3）設計通信鏈路狀態識別功能

在控制距離超過限值、信道受到電磁干擾、發射器電源電壓過低等造成遙控指令無法可靠傳送傳時，系統可識別此狀態并自動切斷機器人電源。通信鏈路狀態識別功能采取的是心跳包技術，即發射器需定時向接收器發射一個固定信號（心跳信號），當接收器接收到心跳信號之后，立即向發射器發射回應信號，反饋通信鏈路狀態，以此來檢測無線通信鏈路是否正常。

（4）優化程序控制邏輯

遙控發送和接收雙方的程序邏輯是否合理也影響到雙方通信的可靠性。程序執行時也可能出現跑飛現象，也需要在程序跑飛時保證通信收發的可靠性，防止誤動作。主要采用在遙控發送和接收雙方程序中設計看門狗程序，監控程序運行狀況，在監控到程序跑飛時，做好輸出、通信等程序初始化，執行保守控制策略，發出故障警報，確保安全直到通信恢復。

■2.2 通信協議設計

（1）數據格式的定義

遙控器系統主要功能是通過收發設備傳輸控制指令和數據指令，從而控制設備的運作和獲得設備工作狀況。因采用透傳模塊，則不需要考慮傳輸差錯控制問題，參考MODBUS 協議，可定義數據格式：地址碼（一個字節）+功能碼（一個字節）+數據域（N 個字節）。

裝卸機器人是一個較為復雜的智能設備，其工作時的待控動作和待傳輸信息類型較多，需要用功能碼進行區分。

裝卸機器人的指令共有15 個。因此，指令信號中指令功能碼字段長度設為1 個字節（8 位）,是足夠使用的。

（2）地址碼與配對指令

遙控器手持端與遙控器機載端分別配置唯一的1 個字節地址碼，地址碼取值范圍為OxO1～OxFE，允許現場可以有254 臺遙控終端設備同時工作，只有地址碼匹配才接收數據。在遙控器手持端與遙控器機載端開機后，手持端要向外發送請求配對信號，機載端需等待配對請求信號，收到請求信號后應回應，從而通信鏈路建立成功。

（3）心跳指令

為了使遙控器雙方了解當前無線傳輸信道狀態，保障通信系統的可靠性，需要遙控器手持端定時向機載端發送心跳信號。當遙控器機載端收到心跳信號后，向遙控器手持端發送心跳回應信號，從而雙方得到當前通信鏈路狀態。

（4）控制指令

裝卸機器人控制指令有12 個，每個指令帶1～2 個字節的數據域。如啟停指令，其數據域為開關量信號，OxO0 代表停機，OxFF 代表啟動；行走指令其數據域為模擬量信號，兩個字節分別保存了雙軸搖桿X 軸和Y 軸的0～255 量級數據。

（5）工作狀態信號

遙控器機載端向手持端發送機器人工作狀態數據，其數據域占8 個字節。開關量數據主要有發動機啟停狀態、速度模式、大燈狀態、蜂鳴器狀態；模擬量數據主要有左右輪速度、發動機轉速、燃油液位、油溫等。

3 無線通信程序設計

■3.1 主要軟件設計內容

遙控終端的主控芯片均采用STM32F103 微處理器，遙控系統軟件基于FreeRTOS 操作系統。在STM32F103 芯片中移植FreeRTOS，可以參考FreeRTOS 官方提供的實例工程進行移植[3]。在KeilμVision4 開發環境，對機器人遙控系統的軟件進行設計，主要包括遙控器手持端、機載端程序設計。

遙控器手持端軟件設計需要完成的工作如下：

（1）系統初始化。包括硬件配置與軟件配置，主要有外部中斷初始化、串口初始化、ADC 初始化工作等；

（2）創建多任務。主要創建通信任務、GUI 任務、按鍵掃描任務等；

（3）數據采集程序設計。通過GPIO 以中斷方式采集按鍵開關量信號和搖桿、推桿、旋鈕等模擬量信號，即實現操作指令的釆集；

（4）無線收發通信程序設計。根據前面設計的通信協議，定義數據包，依據可靠通信策略通過串口收發數據，使整個遙控通信系統可靠運行；

（5）串口通信程序設計。遙控器上433MHz 無線通信和USART 接口有線通信均通過USART 接口收發數據。其串口通信功能配置較為簡單，與基本串口通信配置一致。

遙控器機載端軟件設計需要完成的工作大致類同手持端，只是無數據采集部分，但增加了CAN 通信程序設計。

■3.2 遙控器程序流程

（1）遙控器主函數

遙控器雙端主要完成系統初始化和啟動各處理任務，手持端和機載端主函數軟件流程如圖1 所示。

圖1 遙控器主函數軟件流程圖

（2）遙控器通訊過程程序狀態機

遙控器通訊過程中會有一個表征通信狀態的標志量。手持端啟動后，進入“搜索目標”狀態。系統向信道發出“搜索命令”，并等待應答信號。如果接收到應答，進入“建立連接”狀態。如果在一定的時間內接不到接收到目標端的可連接應答，終止此次遙控任務。此后，系統進入“遙控通訊”狀態。空閑時，系統將自動定時向目標端發射“心跳”指令，如果“心跳”指令多次無應答，則退回到“搜索目標”狀態。如果用戶結束遙控任務，系統處“斷開連接”狀態，并向目標端發出一個“斷開連接”的指令，等待應答超時后不必重發。

4 實驗結果與分析

主要測試無線通信距離，無線通信誤碼率和無線遙控工作的可靠性。測試過程：

（1）在場地空曠，無遮擋物，電磁干擾小的環境下測試，測試距離點為：20m、50m、80m、100m、120m、150m、180m、200m、220m、250m、280m、300m。距離150m 內時，模塊工作正常，基本無誤碼。距離150m時，每10ms 發送一次數據，數據包大小為10 字節，連續發送10min，共發送數據60000 條，總數據大小為600000字節，接收誤碼為17，誤碼率為0.03%，模塊無發熱。距離150～200m 時，模塊誤碼增加，200m 時，誤碼率約為0.5%，模塊無明顯發熱。距離200～250m 時，接收誤碼增加，250m 時，誤碼率約為3%，模塊輕微發熱。距離250～300m 時，接收誤碼急劇增加，300m 時基本無法接收到數據，模塊明顯發熱，發送卡頓明顯。

（2）在場地空曠，無遮擋物，有煙塵干擾的環境下測試。距離200m 內，接收誤碼率低于1%，模塊無發熱。

（3）在有樹木和矮墻遮擋物的環境下測試。距離200m 內，接收誤碼率低于1%，模塊無發熱。

（4）在有高大磚墻或有鐵門遮擋物的環境下測試。距離150m 內，接收誤碼率低于1%，模塊無發熱。距離200m 時，接收誤碼率接近5%，模塊輕微發熱。

（5）在場地空曠，無遮擋物，有其他頻段干擾信號的環境下測試。距離200m 時，誤碼率低于1%，模塊無明顯發熱，在干擾信號環境中依然工作穩定。

綜述測試結果，空曠情況下該無線通信系統實際最遠通信距離為250m，考慮到實際工作環境可能存在遮擋或其他干擾信號的情況，推薦可靠通信距離為200m。

5 結論

文中設計了基于STM32 處理器和433MHz 擴頻通信收發模塊的無線遙控系統，可實現履帶裝卸機器人的無線遙控、實時狀態監測和精準控制。針對無線通信可靠性問題，從無線數傳模塊選擇、地址碼設置、通信鏈路狀態監測、通信程序邏輯優化等方面著手以提高遙控系統的通信可靠性。經實測系統可在200m 無線通信距離下實現對履帶裝卸機器人各個動作的有效控制，對于提高履帶裝卸機器人控制可靠性具有參考價值。