針對(duì)大功率電磁干擾環(huán)境下以及復(fù)雜煙霧條件下的排爆機(jī)器人作業(yè)時(shí)的通信控制問(wèn)題，提出了一套集無(wú)線通信、紅外通信、激光通信于一體的多手段綜合無(wú)線通信系統(tǒng)。并對(duì)各通信方式采取了多項(xiàng)改善措施以提升通信效果：一是采用功耗低的2.4 GHz頻段無(wú)線通信，以提高無(wú)線射頻的抗干擾能力；二是使用大功率紅外發(fā)射管設(shè)計(jì)了大功率紅外發(fā)射電路，利用反射鏡與凸透鏡凝聚紅外光束，在接收端使用多接收器旋轉(zhuǎn)陣列的方式多方向采集信號(hào)并利用遮光罩屏蔽雜散光線，從而提升紅外通信距離；三是利用視頻標(biāo)注的方式解決激光通信對(duì)準(zhǔn)的難題。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路良好的通信效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，并為類似的工程項(xiàng)目提供了參考。
當(dāng)前國(guó)際恐怖活動(dòng)多發(fā)，且以爆炸襲擊居多，因此爆炸物的排除成了一項(xiàng)重要工作內(nèi)容[1]。目前的排爆方式主要有人工排爆和機(jī)械排爆兩種。但二者均存在一些缺點(diǎn)：人工排爆對(duì)心理素質(zhì)、操作技術(shù)要求高，很難在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)爆炸物的識(shí)別和處理；機(jī)械排爆是將爆炸物放入防爆罐后運(yùn)至安全地帶進(jìn)行起爆處理，但在運(yùn)輸途中爆炸物狀態(tài)不穩(wěn)定、易發(fā)生危險(xiǎn)。因此，在反爆炸恐怖活動(dòng)中迫切需要一種安全的現(xiàn)場(chǎng)排爆裝備。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)出一種利用水刀進(jìn)行排爆的遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人。這種排爆機(jī)器人可讓排爆人員在安全距離外遠(yuǎn)程遙控完成對(duì)爆炸物的切除銷毀，使爆炸物在喪失爆炸威力的前提下盡可能保留原貌，以利于后續(xù)工作的開展。但這種設(shè)計(jì)存在一個(gè)問(wèn)題，就是在排爆現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)放置大功率電磁干擾儀或屏蔽器以屏蔽外來(lái)信號(hào)遙控啟動(dòng)炸彈，這種干擾也會(huì)讓水刀排爆機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控信號(hào)遭受影響。因此本文將水刀排爆機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控通信設(shè)計(jì)成一套集無(wú)線通信、紅外通信、激光通信于一體的多手段綜合無(wú)線通信系統(tǒng)，成功解決了排爆機(jī)器人在復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信問(wèn)題，最后完成了詳細(xì)電路設(shè)計(jì)以及加工調(diào)試并做出了實(shí)物。
1 綜合通信設(shè)計(jì)
在大磁場(chǎng)干擾環(huán)境下或者煙霧狀態(tài)下，為了保證水刀排爆機(jī)器人的拆彈任務(wù)順利實(shí)施，本文在使用基礎(chǔ)無(wú)線遙控通信方式的同時(shí)還使用了紅外通信以及激光通信的方式共同配合，實(shí)現(xiàn)了多手段綜合無(wú)線通信。圖 1即為多手段綜合無(wú)線通信系統(tǒng)的原理框圖。
各通信方式的使用模式可以概括如下：在通常模式下控制水刀排爆機(jī)器人行走、移動(dòng)、測(cè)試作業(yè)等操作主要依賴無(wú)線通信，因?yàn)闊o(wú)線通信無(wú)需對(duì)準(zhǔn)控制，操作方便。一旦機(jī)器人進(jìn)入大電磁干擾環(huán)境中，則需要借助于光學(xué)通信手段。如果距離近則使用紅外通信，因?yàn)榧t外通信折射性好，發(fā)射角度大、范圍廣，無(wú)需精確對(duì)準(zhǔn)即可通信。但是如果距離較遠(yuǎn)或者現(xiàn)場(chǎng)有煙霧存在，則需使用激光通信，激光通信傳播距離遠(yuǎn)，穿透性強(qiáng)，但發(fā)散角小，需要精確對(duì)準(zhǔn)方可通信。在嵌入式程序中將三者的通信協(xié)議統(tǒng)一起來(lái)，使用相同的信號(hào)標(biāo)志位、校驗(yàn)碼以及加密方式進(jìn)行綜合編程，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步發(fā)射、復(fù)合接收。即三者的信號(hào)同時(shí)發(fā)出，但只要有一路到達(dá)接收方即可實(shí)現(xiàn)通信，從而使得通信更為寬泛靈活。
1.1 無(wú)線通信設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程遙控的無(wú)線通信采用抗干擾能力強(qiáng)、功耗低的2.4 GHz頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，使用SX1212單芯無(wú)線芯片。該芯片工作電壓為2.1 V~3.6 V，發(fā)射功率能達(dá)到+12.5 dBm，典型接收電流為2.6 mA，并且該芯片包含了射頻功能和邏輯控制功能，同時(shí)集壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、變頻器、中放電路等于一體。無(wú)線通信芯片與核心處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行透?jìng)魍ㄐ拧?/span>
雖然該設(shè)計(jì)具有傳輸距離遠(yuǎn)、接收靈敏度高、功耗低、穿透能力與繞射能力都相對(duì)較強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是在大磁場(chǎng)干擾環(huán)境下，2.4 GHz波段的電磁波由于波長(zhǎng)較短，繞過(guò)障礙物的能力和穿透能力就會(huì)被大大削弱。2.4 GHz的遙控通信采用跳頻通信技術(shù)，雖然能解決多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用時(shí)相互干擾的問(wèn)題，但由于其頻率帶寬通常只有8 MHz，不能解決外部侵入信號(hào)的干擾問(wèn)題，因此需要引入光學(xué)通信。
1.2 紅外通信設(shè)計(jì)
紅外通信雖然不受電磁干擾的影響，但是傳輸距離相對(duì)較近[3-5]。因此本文采用了3種措施來(lái)改善紅外通信距離：一是增大發(fā)射方的發(fā)射功率，采用950 nm近紅外波段的3 W大功率紅外線發(fā)射管設(shè)計(jì)了大功率紅外發(fā)射電路；二是在發(fā)射端采用反射聚光與凸透鏡聚光相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)光束凝聚發(fā)射；三是在接收端采用遮光罩設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界雜散光和太陽(yáng)光的屏蔽，并將6個(gè)接收管使用旋轉(zhuǎn)陣列的方式接收，從而保證接收端在360°方向都能接收到發(fā)射信號(hào)。在試驗(yàn)中通過(guò)這3種措施，成功將紅外遙控的距離從30 m提高到了100 m。
紅外電路設(shè)計(jì)采用PT2262、PT2272兩款芯片來(lái)完成光波發(fā)射與接收的編碼與解碼。這兩款芯片功耗低，使用方便。對(duì)高頻電路完成ASK調(diào)制，相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。
1.3 激光通信設(shè)計(jì)
激光的頻率相對(duì)單純，容易調(diào)制，而且光束散開角小，方向性極好，穿透能力強(qiáng)，是一種理想的遠(yuǎn)距離通信手段[6-7]。但是由于激光方向性太強(qiáng)，所以在實(shí)施通信操作時(shí)需要將發(fā)射端對(duì)準(zhǔn)接收裝置，否則通信將會(huì)中斷。因此為了解決這一問(wèn)題，本文在手持發(fā)射器的前端放置一個(gè)可變焦攝像機(jī)，可將圖像顯示在手持發(fā)射器的屏幕上，對(duì)激光光束射出以后所在圖像中的位置進(jìn)行校對(duì)，并以十字叉線的方式予以標(biāo)注，從而有效解決了激光的對(duì)準(zhǔn)難度大的問(wèn)題。、
2 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2.1 發(fā)射電路
為了使電路發(fā)射端容易攜帶、手持操作輕便，電池的大小及容量受到了較大限制。因此在發(fā)射電路的實(shí)際中盡量使用貼片式、低功耗的芯片，并對(duì)電路使用了自動(dòng)休眠與喚醒的設(shè)計(jì)。由于發(fā)射電路處理起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以核心處理器使用單片機(jī)即可滿足需求。
圖2為紅外發(fā)射模塊電路，單片機(jī)I/O口與PT2262調(diào)制芯片的管腳之間通過(guò)P00~P05進(jìn)行通信。最終信號(hào)通過(guò)圖中的大功率紅外發(fā)射二極管D3發(fā)送出去。激光發(fā)射模塊基本與紅外模塊相同，調(diào)制芯片也采用了PT2262，只是將發(fā)光二極管改成了650 nm激光發(fā)射管。
圖3為無(wú)線發(fā)射模塊電路圖，單片機(jī)的讀入讀出串口與無(wú)線發(fā)射芯片之間通過(guò)RXD和TXD進(jìn)行連接通信。控制信號(hào)最終通過(guò)圖3中P1天線發(fā)送出去。
本文在發(fā)射手持終端的單片機(jī)上編寫程序時(shí)將鍵盤鍵入的命令信號(hào)通過(guò)3種通信途徑同步送出、同時(shí)發(fā)射，從而達(dá)到在遭到擾亂時(shí)也能正常進(jìn)行通信的目的，也就是常說(shuō)的“擾中通”。
2.2 接收電路
接收電路由于放在排爆機(jī)器人方，因此空間相對(duì)較大，不受空間限制。接收電路分為三部分同時(shí)接收，不管哪路信號(hào)被接收進(jìn)來(lái)，中央處理器都會(huì)立即執(zhí)行，保證了通信的效果。
由于接收端接收信號(hào)及需要處理的信息較多、處理速度要求較快、外接設(shè)備多，因此使用了性能高、低成本、功耗小的增強(qiáng)型STM32F103系列嵌入式ARM芯片作為接收端的核心處理器。該芯片使用Cortex-M3作為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，能夠較好地完成信號(hào)接入、信息處理和動(dòng)作執(zhí)行等相關(guān)操作。
無(wú)線信號(hào)、紅外信號(hào)和激光信號(hào)接入進(jìn)來(lái)后分別通過(guò)串口（USART1-RX/USART1-TX）以及GPIO口與ARM芯片進(jìn)行連接。圖4為接紅外接收模塊電路圖。激光通信模塊的電路圖基本與紅外接收模塊一致，只是將6個(gè)紅外接收光敏二極管改為了6個(gè)激光接收器。而無(wú)線接收模塊同樣使用了圖3所示電路模塊進(jìn)行通信。
接收端的ARM芯片接收到3個(gè)通信通道當(dāng)中的任何一個(gè)的命令信號(hào)以后，就分別驅(qū)動(dòng)其后續(xù)的2個(gè)直流電機(jī)、4個(gè)步進(jìn)電機(jī)、顯示器、水開關(guān)液壓閥、水刀磨砂材料開關(guān)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，最終實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)行效果良好。
3 結(jié)論
本文針對(duì)大功率電磁干擾環(huán)境下以及復(fù)雜煙霧條件下的排爆機(jī)器人作業(yè)時(shí)的通信控制，提出了利用無(wú)線通信、紅外通信、激光通信進(jìn)行綜合無(wú)線通信，并對(duì)各通信方式采取了多項(xiàng)改善措施以提升通信效果。經(jīng)過(guò)在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾環(huán)境中、煙霧環(huán)境中、強(qiáng)光照環(huán)境中多次試驗(yàn)，該系統(tǒng)都能夠較好地實(shí)施通信，具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，達(dá)到了綜合無(wú)線通信規(guī)避外界干擾的設(shè)計(jì)目的。
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