基于绘图板程序的家政机器人室内定位系统实现

摘 要： 针对目前家政服务机器人在可视化定位上的不足，提出一种将房屋布局图加载到上位机绘图板程序中，通过在上位机上绘制路线，实时控制家政服务机器人位置的方案。在该系统中，上位机按照RS-232协议传输路线信息到无线模块并发送，机器人端采用Altera公司的SoPC技术，使用Nios II软核作为核心处理器读取无线模块接收到的信息，并控制机器人按指定路线在室内行驶。系统具有很好的实用性。
关键词： FPGA；Nios II；室内定位

随着经济发展的高速化，人们的生活节奏也越来越快，家政机器人DR（Domestic Robot)，因能够代替人完成家政服务工作而受到了更多都市市民的青睐。目前，低端DR以单一的输入功能如清洁功能等重复性作业为主，缺乏与用户的交互；高端DR虽然功能完善，但是价格昂贵，不易为普遍用户接受。本文设计的系统是通过上位机的路线绘制程序与用户进行交互，以低成本便捷的方式实现对DR的室内定位控制(Indoor Positioning Control)，具有很好的实用性。
1 系统结构
系统整体构架分为上位机信息发送系统和机器人子系统两个部分。上位机端采用VB编写的绘制路线程序作为可视控制平台，实现房屋布局图载入、行进路线绘制、坐标提取、路线信息计算与无线传输等功能。机器人处理子系统采用FPGA芯片作为核心处理器，结合SoPC技术和Verilog硬件描述语言以完成对FPGA芯片的配置、Nios II软核实现路线信息的无线接收、提取路线信息。使用Verilog硬件描述语言搭建电机和舵机的PWM控制模块,控制电机与舵机配合，完成路线的行驶。其系统框图如图1所示。

2.1.2 串口无线模块
PC机路线绘制程序将信息打包通过串口传输到无线模块CC1100-232后发送出去。CC1100是TI公司的高性能无线通信芯片，采用串口工作方式，可以工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz公用频段，串口速率为1.2 Kb/s～38.4 Kb/s。在无线传感器、家庭自动化、机器人控制等领域有着广泛的应用。
2.2 机器人子系统
机器人子系统的功能是实现路线信息的接收与执行，由FPGA处理器、CC1100-232无线模块、机器人模型组成。
2.2.1 机器人模型
微元路线的准确实现需要机器人根据路线信息准确地行走，机器人模型设计的关键在于行进部分的设计，本系统的机器人行进部分由两个从动轮、一个带码盘的驱动轮、光电对管TCRT5000和电机模组组成。驱动轮的电机模组分为130电机和5010舵机两部分，电机与舵机安装于驱动轮上，电机带动驱动轮转动，舵机带动驱动轮旋转。PWM波可以控制电机、舵机转动，调节PWM波的占空比可以改变电机转速和舵机的转动角度。在驱动轮上带有码盘和光电对管TCRT5000，两者结合可以准确地记录驱动轮转动了多少码格。
机器人的行进方式有两种：(1)舵机偏转为0°时，电机作用驱动轮，机器人直线行驶；(2)舵机偏转90°时，电机作用驱动轮，机器人绕几何中心点转动，如图4所示。

每次微元的路线机器人的执行方式都是舵机摆至90°，电机驱动轮行进使机器人绕中心点转动相应转角，然后舵机摆正，电机驱动机器人行走微元路线相应的距离。
2.2.2 FPGA控制模块
系统采用Altera Cyclone III EP3C16 FPGA芯片，Verilog硬件描述语言完成复杂的数字系统设计。Altera公司的SoPC技术可自定义IP核配置NIOS软核，可定制性高[1]。通过软硬件协同设计使整个系统的FPGA实现更加灵活与高效。