科技始終來自人性，一語道出科學(xué)與技術(shù)皆由人類的欲望所生。在講求經(jīng)濟(jì)效益與效率的現(xiàn)代，人類進(jìn)一步整合計(jì)算機(jī)與機(jī)器，創(chuàng)造機(jī)器人以期能夠增加工作效率，或是代替人類執(zhí)行一些具危險(xiǎn)性的工作，因此機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研發(fā)將會(huì)越來越受重視。

本文所開發(fā)的機(jī)器人作品以盛群半導(dǎo)體八位微控制器(MCU)為核心，具有計(jì)程、位置推算、紅外線傳感避障、中文語音提示、地磁角度測(cè)量、地磁角度修正等功能，使用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或筆記本電腦(Notebook)當(dāng)作主控，撰寫人機(jī)接口主控程序，以射頻(RF)無線模塊進(jìn)行溝通，主控計(jì)算機(jī)可下達(dá)指令給機(jī)器人并接收機(jī)器人的狀態(tài)回傳數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的主題是將此機(jī)器人群控系統(tǒng)應(yīng)用于兩種機(jī)器人隊(duì)形變換，分別是橫縱隊(duì)形變換跟四角位置隊(duì)形變換。

主控/受控系統(tǒng)架構(gòu)搭載RF傳輸

目前規(guī)劃的群體機(jī)器人隊(duì)形變換，初步分為兩種隊(duì)形，隊(duì)形1為多橫列與縱列隊(duì)形的交換，隊(duì)形2為原本位于四個(gè)角落的機(jī)器人做位置的變換，雖然兩種隊(duì)形的排程有不小的差異性，但其系統(tǒng)架構(gòu)是相同的，可分為主控計(jì)算機(jī)端與受控的群組機(jī)器人端(Slave)。

在此群體機(jī)器人的動(dòng)作完全由主控端下達(dá)命令而后動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行完成，隨即向主控端回傳動(dòng)作狀態(tài)；而主控端依據(jù)機(jī)器人的回傳狀態(tài)，決策群體機(jī)器人的動(dòng)作，其整體的架構(gòu)模式皆如圖1所示，其計(jì)算機(jī)端的監(jiān)控接口與受控機(jī)器人端的間的通信皆是建立在無線射頻通信平臺(tái)上，并且使用RS-232的通信協(xié)議，通過所配置的無線電模塊nRF905以無線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

無線通信滿足串行信號(hào)傳輸需求

主控計(jì)算機(jī)端的無線傳輸部分，主要是使用RS-232串行傳輸與無線RF模塊的RxD腳位、TxD腳位及共地腳位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主控計(jì)算機(jī)端有兩種方式與無線RF模塊進(jìn)行串行傳輸，第一種方式(圖2)，當(dāng)計(jì)算機(jī)RS-232傳輸端口不足時(shí)，我們可使用計(jì)算機(jī)端的通用串行總線(USB)傳輸埠，經(jīng)由IC PL2303所設(shè)計(jì)的USB轉(zhuǎn)RS-232模塊，將通過USB協(xié)議傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為RS-232串行輸出信號(hào)，再與無線RF模塊的RxD腳位進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳送和TxD腳位進(jìn)行通信數(shù)據(jù)接收，只要注意好彼此的傳輸波特率(Baud Rate)以及相關(guān)通信協(xié)議是否一致，即可由主控計(jì)算機(jī)端下達(dá)命令至無線RF模塊或是接收由無線RF模塊回傳的信號(hào)，進(jìn)行無線通信傳輸；第二種方式(圖3)，當(dāng)計(jì)算機(jī)RS-232傳輸端口足夠時(shí)，我們使用計(jì)算機(jī)端的RS-232傳輸埠，不過基于無線RF模塊的信號(hào)準(zhǔn)位為0伏特(V)或5伏特，而計(jì)算機(jī)端的RS-232的電壓準(zhǔn)位為+12伏特或-12伏特，兩端的電壓準(zhǔn)位不一致，所以須使用IC HIN232進(jìn)行電壓準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后仍須注意彼此的Baud Rate以及相關(guān)通信協(xié)議是否一致，才能達(dá)成RS-232串行通信傳輸。

圖2 計(jì)算機(jī)端通信架構(gòu)-1

圖3 計(jì)算機(jī)端通信架構(gòu)-2

方向傳感提升機(jī)器人路徑設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度

設(shè)計(jì)群控機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)前(以下簡(jiǎn)稱群控機(jī)器人系統(tǒng))，首先將提升小機(jī)器人所具備的能力，包含方向傳感能力(加入電子羅盤傳感地磁角度)、閃避障礙物能力、語音提示能力(具體語音提報(bào)功能以告知命令下達(dá)者)、機(jī)器人行走路徑計(jì)算能力(行走期望距離或計(jì)算出已行走的距離長(zhǎng)度)，以及動(dòng)作完成數(shù)據(jù)回傳能力(利于計(jì)算機(jī)端對(duì)機(jī)器人群的整體監(jiān)控)等，使機(jī)器人本身的基本功能更符合路徑規(guī)劃的功能要求。

計(jì)算機(jī)端的監(jiān)控接口是以一個(gè)無線通信模塊，對(duì)多臺(tái)機(jī)器人下達(dá)命令，在此架構(gòu)下，如何讓監(jiān)控接口可以對(duì)群控機(jī)器人端的掌握更具便利與靈活性，借以對(duì)群控機(jī)器人的路徑規(guī)劃帶來幫助，本系統(tǒng)將通過對(duì)動(dòng)作命令數(shù)據(jù)編碼的方式，進(jìn)一步將機(jī)器人端的動(dòng)作規(guī)劃為單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式、多個(gè)運(yùn)動(dòng)模式與同步運(yùn)動(dòng)模式。

單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的動(dòng)作意義為各司其職，假設(shè)該臺(tái)機(jī)器人接收到動(dòng)作要求時(shí)，立即執(zhí)行其動(dòng)作命令；多個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的動(dòng)作意義為群體機(jī)器人在同一時(shí)間點(diǎn)啟動(dòng)并且做相同動(dòng)作；同步動(dòng)作模式的動(dòng)作意義與單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的意義類似，差異在機(jī)器人接收到動(dòng)作命令時(shí)，并不立即執(zhí)行命令要求，必須等待另一同步啟動(dòng)命令，而后再同時(shí)啟動(dòng)并執(zhí)行該機(jī)器人已接收的命令動(dòng)作。

感光模塊/電子羅盤協(xié)助判斷行徑方向

如圖4所示，為機(jī)器人的整體架構(gòu)圖，環(huán)境傳感器方面有感光模塊與電子羅盤模塊，使得機(jī)器人具有方向傳感的能力，這將為機(jī)器人在路徑規(guī)劃上，帶來很大的幫助；而計(jì)程傳感器的Encoder脈波信號(hào)精度達(dá)到0.185公分的傳感單位，提升了路徑規(guī)劃的精確性，另外紅外線避障模塊可以判斷障礙物，以及是否到達(dá)棋盤式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的交點(diǎn)。

圖4 機(jī)器人整體架構(gòu)

圖5為群控機(jī)器人系統(tǒng)的人機(jī)接口，此監(jiān)控接口是使用寶蘭(Borland)C++ Builder所撰寫設(shè)計(jì)，利用此人機(jī)接口就可對(duì)系統(tǒng)中的機(jī)器人下達(dá)命令，且當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行完計(jì)算機(jī)端所下達(dá)的命令后，會(huì)將執(zhí)行結(jié)果回傳給此監(jiān)控接口，達(dá)成機(jī)器人群體監(jiān)控的目的。

圖5 群控機(jī)器人系統(tǒng)人機(jī)接口

接下來由圖中所標(biāo)示的編號(hào)，逐一做說明，編號(hào)A為計(jì)算機(jī)端與無線RF通信模塊的通信端口對(duì)應(yīng)設(shè)定，設(shè)定內(nèi)容包含RS-232通信端口選擇與Baud Rate選擇，因?yàn)橛?jì)算機(jī)端的人機(jī)接口是以RS-232對(duì)外做溝通，因此務(wù)必先設(shè)定此部分，才能啟動(dòng)人機(jī)接口的各項(xiàng)對(duì)外數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作；編號(hào)B提供操作者自行選擇所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組合，且也可使用編號(hào)C的鍵盤輸入模式，確定好要傳出的數(shù)據(jù)后，按下傳送鍵，即送出數(shù)據(jù)。

編號(hào)D為機(jī)器人單個(gè)、多個(gè)、同步動(dòng)作模式的選擇區(qū)，當(dāng)選擇單個(gè)或同步運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，編號(hào)E區(qū)塊才會(huì)顯現(xiàn)，原因?yàn)槎鄠€(gè)運(yùn)動(dòng)模式下，并不須要判別是哪只機(jī)器人該接收動(dòng)作命令數(shù)據(jù)，所以只須下達(dá)一組命令，也因此編號(hào)F部分只會(huì)出現(xiàn)一組命令選擇窗口；編號(hào)F為各編號(hào)機(jī)器人的命令下達(dá)選擇區(qū)域；編號(hào)G區(qū)塊為各機(jī)器人的回傳數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示與統(tǒng)計(jì)區(qū)，然而群控機(jī)器人系統(tǒng)，目前使用四臺(tái)機(jī)器人，因此，規(guī)劃了四組個(gè)別顯示區(qū)域，為Robot-1 State～Robot-4 State；編號(hào)H區(qū)塊為顯示，計(jì)算機(jī)端所接收到來自于機(jī)器人端回傳的所有數(shù)據(jù)。

路徑修正/避障偵測(cè)/命令接收軟件不可或缺

群控機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)，具備功能包含使機(jī)器人利于隊(duì)形變換應(yīng)用的路徑規(guī)劃上如單個(gè)、多個(gè)、同步運(yùn)動(dòng)模式功能。依計(jì)算機(jī)端監(jiān)控接口所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)量，執(zhí)行前進(jìn)、右旋、后退、右旋等動(dòng)作，且前進(jìn)時(shí)具有避障功能。依計(jì)算機(jī)端監(jiān)控接口所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)量，并依據(jù)脈沖寬度調(diào)變器(PWM)速度參數(shù)，執(zhí)行前進(jìn)、右旋、后退、左旋等動(dòng)作，且前進(jìn)時(shí)，機(jī)器人具備直線前進(jìn)的修正功能。

設(shè)計(jì)可依計(jì)算機(jī)端監(jiān)控接口的命令，執(zhí)行前進(jìn)、右旋、后退、左旋等動(dòng)作，并且計(jì)算其總動(dòng)作量。機(jī)器人面向角度測(cè)量(電子羅盤傳感)。機(jī)器人面向角度修正功能(依據(jù)電子羅盤的傳感值)。語音提示功能，執(zhí)行完上述的動(dòng)作后，皆會(huì)語音提示相關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)回傳，執(zhí)行完命令后，皆會(huì)傳送出相關(guān)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)端監(jiān)控接口。

掌握群控機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)　有效達(dá)成路徑規(guī)劃測(cè)試

此實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑闇y(cè)試群控機(jī)器人路徑規(guī)劃的監(jiān)控接口，是否能順利對(duì)四臺(tái)不同編號(hào)機(jī)器人下達(dá)工作命令(包含單個(gè)、多個(gè)、同步運(yùn)動(dòng)等模式下的機(jī)器人功能測(cè)試)，且測(cè)試此接口是否可正確的顯示與統(tǒng)計(jì)出各機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的信息，這些步驟對(duì)于群控機(jī)器人的路徑規(guī)劃是必須的，能掌握機(jī)器人的動(dòng)作狀態(tài)，才能有效的規(guī)劃群控機(jī)器人的路徑。

如圖6所示將四臺(tái)機(jī)器人放置在桌面，由左至右，機(jī)器人的編號(hào)為1～4號(hào)，接下來逐一對(duì)機(jī)器人下達(dá)動(dòng)作命令。基于上述的單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式測(cè)試，驗(yàn)證了已可由計(jì)算機(jī)端的監(jiān)控接口，監(jiān)控各機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖6 單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式動(dòng)作測(cè)試。(a)為監(jiān)控接口傳出的動(dòng)作命令組合，(b)為機(jī)器人執(zhí)行命令動(dòng)作后相對(duì)位置，(c)為機(jī)器人完成動(dòng)作后的狀態(tài)回傳。

橫隊(duì)變縱隊(duì)/角線變換易如反掌

欲使四臺(tái)機(jī)器人由圖7(a)所示的橫隊(duì)隊(duì)形，變換成圖7(e)的縱隊(duì)隊(duì)形，依表1的同步命令數(shù)據(jù)，逐一由監(jiān)控接口下達(dá)，如圖7(a)～(e)所示，機(jī)器人群將逐步完成，由橫隊(duì)變成縱隊(duì)的路徑規(guī)劃(其每個(gè)步驟都為同步動(dòng)作模式，因此每個(gè)步驟皆是同時(shí)啟動(dòng)而執(zhí)行的)，而完成此路徑規(guī)劃的狀態(tài)回傳，則如圖8所示，包含機(jī)器人收到同步數(shù)據(jù)的回傳機(jī)制。因此，驗(yàn)證了使用群控機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的同步命令模式，逐次下達(dá)動(dòng)作命令，可使機(jī)器人群由橫隊(duì)隊(duì)形變換為縱隊(duì)隊(duì)形的路徑規(guī)劃，在此設(shè)計(jì)者盡量以最短運(yùn)動(dòng)量完成所要的隊(duì)形變換。

圖7 橫隊(duì)變縱隊(duì)路徑規(guī)劃

圖8 橫隊(duì)變縱隊(duì)狀態(tài)回傳

欲使四臺(tái)機(jī)器人由圖9(a)所示的初始位置，做對(duì)角線位置變換成圖9(h)的最終位置，可依表2的多個(gè)與同步命令整合數(shù)據(jù)，逐一由監(jiān)控接口下達(dá)，則如圖9(a)～(h)所示，機(jī)器人群將逐步完成，對(duì)角線交叉變換隊(duì)形(其每個(gè)步驟都為多個(gè)或同步動(dòng)作模式，因此，每個(gè)步驟皆是同時(shí)啟動(dòng)并執(zhí)行的)，而完成此路徑規(guī)劃的狀態(tài)回傳，詳見圖10的各條列方塊。

圖9 對(duì)角線變換隊(duì)形

圖10 對(duì)角線變換隊(duì)形狀態(tài)回傳

驗(yàn)證了使用群控機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的多個(gè)與同步命令模式，逐次下達(dá)動(dòng)作命令，可使機(jī)器人群做對(duì)角線變換位置的路徑規(guī)劃。

目前多機(jī)器人的路徑規(guī)劃可歸類為兩大方向，其一為由計(jì)算機(jī)端監(jiān)控接口，完全監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為，包含計(jì)算機(jī)端對(duì)機(jī)器人端的命令下達(dá)，以及機(jī)器人端執(zhí)行完命令的狀態(tài)回傳，稱為多機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，且確定機(jī)器人本身的功能正常后，進(jìn)一步整合監(jiān)控接口做測(cè)試，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以順利對(duì)多機(jī)器人端下達(dá)單個(gè)、多個(gè)以及同步運(yùn)動(dòng)模式等控制，并且提出利用多個(gè)與同步運(yùn)動(dòng)模式，由監(jiān)控接口對(duì)機(jī)器人群下達(dá)命令，執(zhí)行隊(duì)形變換的路徑規(guī)劃方式，如：橫隊(duì)變縱隊(duì)，借以驗(yàn)證此系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且可作為后續(xù)多機(jī)器人路徑規(guī)劃延伸實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)系統(tǒng)。

作者：蕭勝文、張志鴻、李柏毅、蘇國(guó)嵐，盛群半導(dǎo)體