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)行一些具危險性的工作，因此機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)研發(fā)將會越來越受重視。

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，具有計程、位置推算、紅外線傳感避障、中文語音提示、地磁角度測量、地磁角度修正等功能，使用個人計算機(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)器人隊形變換，分別是橫縱隊形變換跟四角位置隊形變換。

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)器人隊形變換，初步分為兩種隊形，隊形1為多橫列與縱列隊形的交換，隊形2為原本位于四個角落的機(jī)器人做位置的變換，雖然兩種隊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)器人的動作完全由主控端下達(dá)命令而后動作，動作執(zhí)行完成，隨即向主控端回傳動作狀態(tài)；而主控端依據(jù)機(jī)器人的回傳狀態(tài)，決策群體機(jī)器人的動作，其整體的架構(gòu)模式皆如圖1所示，其計算機(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傳輸需求

主控計算機(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)計算機(jī)RS-232傳輸端口不足時，我們可使用計算機(jī)端的通用串行總線(USB)傳輸埠，經(jīng)由IC PL2303所設(shè)計的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，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，進(jìn)行無線通信傳輸；第二種方式(圖3)，當(dāng)計算機(jī)RS-232傳輸端口足夠時，我們使用計算機(jī)端的RS-232傳輸埠，不過基于無線RF模塊的信號準(zhǔn)位為0伏特(V)或5伏特，而計算機(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 計算機(jī)端通信架構(gòu)-1

圖3 計算機(jī)端通信架構(gòu)-2

方向傳感提升機(jī)器人路徑設(shè)計精準(zhǔn)度

設(shè)計群控機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)前(以下簡稱群控機(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(具體語音提報功能以告知命令下達(dá)者)、機(jī)器人行走路徑計算能力(行走期望距離或計算出已行走的距離長度)，以及動作完成數(shù)據(jù)回傳能力(利于計算機(jī)端對機(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。

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

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

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；而計程傳感器的Encoder脈波信號精度達(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)棋盤式實驗平臺的交點。

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，利用此人機(jī)接口就可對系統(tǒng)中的機(jī)器人下達(dá)命令，且當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行完計算機(jī)端所下達(dá)的命令后，會將執(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，逐一做說明，編號A為計算機(jī)端與無線RF通信模塊的通信端口對應(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，因為計算機(jī)端的人機(jī)接口是以RS-232對外做溝通，因此務(wù)必先設(shè)定此部分，才能啟動人機(jī)接口的各項對外數(shù)據(jù)傳輸動作；編號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D為機(jī)器人單個、多個、同步動作模式的選擇區(qū)，當(dāng)選擇單個或同步運(yùn)動模式時，編號E區(qū)塊才會顯現(xiàn)，原因為多個運(yùn)動模式下，并不須要判別是哪只機(jī)器人該接收動作命令數(shù)據(jù)，所以只須下達(dá)一組命令，也因此編號F部分只會出現(xiàn)一組命令選擇窗口；編號F為各編號機(jī)器人的命令下達(dá)選擇區(qū)域；編號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)計區(qū)，然而群控機(jī)器人系統(tǒng)，目前使用四臺機(jī)器人，因此，規(guī)劃了四組個別顯示區(qū)域，為Robot-1 State～Robot-4 State；編號H區(qū)塊為顯示，計算機(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/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，具備功能包含使機(jī)器人利于隊形變換應(yīng)用的路徑規(guī)劃上如單個、多個、同步運(yùn)動模式功能。依計算機(jī)端監(jiān)控接口所設(shè)定的運(yùn)動量，執(zhí)行前進(jìn)、右旋、后退、右旋等動作，且前進(jìn)時具有避障功能。依計算機(jī)端監(jiān)控接口所設(shè)定的運(yùn)動量，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、左旋等動作，且前進(jìn)時，機(jī)器人具備直線前進(jìn)的修正功能。

設(shè)計可依計算機(jī)端監(jiān)控接口的命令，執(zhí)行前進(jìn)、右旋、后退、左旋等動作，并且計算其總動作量。機(jī)器人面向角度測量(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)行完上述的動作后，皆會語音提示相關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)回傳，執(zhí)行完命令后，皆會傳送出相關(guān)數(shù)據(jù)至計算機(jī)端監(jiān)控接口。

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

此實驗?zāi)康臑闇y試群控機(jī)器人路徑規(guī)劃的監(jiān)控接口，是否能順利對四臺不同編號機(jī)器人下達(dá)工作命令(包含單個、多個、同步運(yùn)動等模式下的機(jī)器人功能測試)，且測試此接口是否可正確的顯示與統(tǒng)計出各機(jī)器人運(yùn)動的信息，這些步驟對于群控機(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所示將四臺機(jī)器人放置在桌面，由左至右，機(jī)器人的編號為1～4號，接下來逐一對機(jī)器人下達(dá)動作命令。基于上述的單個運(yùn)動模式測試，驗證了已可由計算機(jī)端的監(jiān)控接口，監(jiān)控各機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。

圖6 單個運(yùn)動模式動作測試。(a)為監(jiān)控接口傳出的動作命令組合，(b)為機(jī)器人執(zhí)行命令動作后相對位置，(c)為機(jī)器人完成動作后的狀態(tài)回傳。

橫隊變縱隊/角線變換易如反掌

欲使四臺機(jī)器人由圖7(a)所示的橫隊隊形，變換成圖7(e)的縱隊隊形，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，由橫隊變成縱隊的路徑規(guī)劃(其每個步驟都為同步動作模式，因此每個步驟皆是同時啟動而執(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)動作命令，可使機(jī)器人群由橫隊隊形變換為縱隊隊形的路徑規(guī)劃，在此設(shè)計者盡量以最短運(yùn)動量完成所要的隊形變換。

圖7 橫隊變縱隊路徑規(guī)劃

圖8 橫隊變縱隊狀態(tài)回傳

欲使四臺機(jī)器人由圖9(a)所示的初始位置，做對角線位置變換成圖9(h)的最終位置，可依表2的多個與同步命令整合數(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，對角線交叉變換隊形(其每個步驟都為多個或同步動作模式，因此，每個步驟皆是同時啟動并執(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 對角線變換隊形

圖10 對角線變換隊形狀態(tài)回傳

驗證了使用群控機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)的多個與同步命令模式，逐次下達(dá)動作命令，可使機(jī)器人群做對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，其一為由計算機(jī)端監(jiān)控接口，完全監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動行為，包含計算機(jī)端對機(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)實際測試，且確定機(jī)器人本身的功能正常后，進(jìn)一步整合監(jiān)控接口做測試，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以順利對多機(jī)器人端下達(dá)單個、多個以及同步運(yùn)動模式等控制，并且提出利用多個與同步運(yùn)動模式，由監(jiān)控接口對機(jī)器人群下達(dá)命令，執(zhí)行隊形變換的路徑規(guī)劃方式，如：橫隊變縱隊，借以驗證此系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且可作為后續(xù)多機(jī)器人路徑規(guī)劃延伸實驗的基礎(chǔ)系統(tǒng)。

作者：蕭勝文、張志鴻、李柏毅、蘇國嵐，盛群半導(dǎo)體