引言

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测距板改进了现有的相对定位/通信软件库（libIrcom），该库是为e-Puck机器人开发的，基于其车载红外传感器。e-RandB是与Robolabo、Iridia和RBZ机器人设计公司合作开发的。

该板允许定位代理在本地通信，同时获得发射器的射程和方位，而无需任何集中控制或任何外部参考。因此，该板允许机器人拥有一个具体的、分散的和可扩展的通信系统。该系统依靠频率调制的红外通信，由两个相互连接的模块组成，用于数据和功率测量。
该板可通过Uart或I2C总线与e-puck通信。它允许用户根据其他扩展模块已经使用的总线，从两条总线中选择一条。然而，不同的帧速率取决于通信总线。对于实际的软件版本，我们使用Uart总线获得50 msg/秒，而I2C总线获得150 msg/秒，其中每条消息由6位报头、16位数据和4位crc组成。

1.引言

测距板是一个新的开放式硬件/软件板，可让小型机器人进行通信，同时获得排放源的范围和方位。开放的E-Puck测距板改进了现有的红外相对定位/通信软件库（libIrcom），该库是为E-Puck机器人开发的，并基于其机载红外传感器。该板允许机器人具有一个体现的，分散的和可扩展的通信系统。
使用E-Puck测距板，可以在机器人之间进行本地通信。它基于红外通信，因此需要两个机器人之间的直接视觉通信。该板具有许多不同的功能。例如，发射机器人传输16位数据帧。接收帧的机器人会提取16位数据，并计算到发射器机器人的距离（范围）和方向（轴承）。此外，该板还允许您将透射范围从0 cm更改为80 cm。因此，您可以根据实验需要调整通讯范围。最后，由于e-puck机器人有许多不同的扩展模块，我们实现了两条不同的通信总线（I2C和UART），可以通过它们与开发板和机器人进行通信。

2.硬件

设计的E-Puck范围和轴承板（见图1）由其自己的处理器控制。每块板包含12组IR发射/接收模块。每个模块都配备一个红外发射二极管，一个红外调制接收器和一个红外光电二极管：如图2所示，这些模块几乎均匀地分布在电路板上。因此，它们之间的距离约为30°。

图1：E-puck测距板（a）顶视图和（b）底视图
为了正确理解本地化和通信系统及其复制或修改的可能性，接下来的小节将详细介绍板上实现的各种硬件模块。

图2：（a）发射器和（b）接收器在电路板周边的分布

2.1电源模块

该板可用2.5 V至6 V的电源供电。板上电后，将创建三根隔离的电源线：一根用于数字系统，一根用于模拟，另一根用于发射模块。这三个电源线是从两个不同的电源获得的。
第一个电源由发射模块负责。该电源基于低压差线性稳压器，该稳压器允许在0.8 V至3.46 V之间的电压变化。这种功率变化使电路板可以更改其发射范围。调节器连接至数字SPI电位计，该电位计可改变ADJ引脚的负载，从而修改电源的输出。得益于此数字可变电阻器，可以通过软件控制发射范围和功耗。
第二电源负责其余的电子设备，包括微控制器。 3.3 V的模拟和数字线仅在一点处分开并短路，以减少噪声。
评估板的功耗取决于发射电源的设置。

2.2发射模块

发射模块由12个不同的发射器组成。每个传感器组均由窄光束红外灯和逻辑门组成，以产生调制信号。
通信基于频率调制，并在455 KHz的载波上以10 KHz的数据传输（更多信息，请参见图3）。

图3：发射模块图
Vemis电源的修改会改变流经发射器的电流，从而改变发射范围。对于最小值0.8 V，对于Vemis = 3.46 V，可实现0 cm范围，而最大范围约为80 cm。

2.3接收模块

接收模块分为两个不同的子模块。第一个子模块负责数据接收，而第二个子模块负责检测信号强度。分为两个子模块，使开发板可以独立于信号强度接收数据。在第一个模块中，该板能够作为简单的通信系统工作，在其中无需提取发射器位置即可对数据进行解调和接收。第二子模块在帧接收期间测量红外信号的强度。为了确保正确测量信号强度，强度传感器和解调传感器必须具有相同的方向，因此必须彼此叠置。
数据接收子模块基于用于远程控制的小型红外接收器。信号通过微控制器中的数字输入接收。
信号强度子模块基于PIN二极管和两个运算放大器。当光电二极管开始接收红外信号时，电路开始充电。峰值检测器的输出面向微控制器中的12个模数转换器。

2.4通讯模块

通信模块已被设计为主要处理器系统的从属。集成了两条总线I2C和RS232，以方便使用该板。在两种通讯类型中，主站均控制发射范围。可以随时订购电源输出的修改，并且可以立即修改发射范围。

2.4.1 I2C总线

在I2C通信中，E-puck范围和轴承板充当主处理器系统的从属。该板负责传输请求，并不断检查传入的帧。主处理器系统不断轮询板，以检查是否已接收到任何通信。

2.4.2 UART

在UART通信中，双向允许中断。主板能够发送传输命令或范围修改。一旦通信板解调出一帧，它将中断主机，并将解调后的数据，估计的角度和到发射器的距离发送出去。

2.5板子配置

2.5.1TV Remote Receiver

因为开发E-puck Range＆Bearing的目的是为那些不希望使用扬声器功能的用户卸下电子跳板，所以我们复制了IR TV Remote接收器（见图4）。该信号进入机器人主连接器，并与电子跳线板连接到同一引脚。因此，接收器以相同的方式工作，并且取代了电子跳板上的接收器。

图4：TV remote receiver

2.5.2 E-Puck范围和与E-Puck UART的通信关系

如前所述，有可能通过UART与E-Puck通信E-Puck范围和方位。但是，由于其他扩展模块也使用UART，因此有一个4位微动开关，它允许UART线的连接/断开。如果要禁用此连接，请在S1微动开关中将PIN2和PIN3置于OFF（见图5）。默认情况下启用连接。

图5：E-Puck测距板UART通信开关配置。（a）启用通讯（b）通讯被禁用

2.5.3 E-Puck测距板与PC UART的通信

我们还启用了与计算机的通信。机器人可以与PC通信的方式相同，开发板也可以进行通信。但是，有一些限制。由于板上空间不足，我们使用了机器人上已经提供的MAX232。因此，我们无法同时与机器人和控制板通信计算机。默认情况下，与板的通信处于启用状态，而与机器人的板则处于禁用状态。如果要禁用此选项，则应将S1微动开关的PIN1和PIN4设置为OFF（见图6）。默认情况下启用通讯。（机器人已经具有与PC通信的蓝牙）。您可以从X5 4针微型匹配红色连接器中的PIN1（TX），PIN2（RX）和PIN3（GND）提取信号（参见图7）。

图6：E-Puck测距板PC的UART通讯开关配置。（a）启用通讯。（b）通讯被禁用。

图7：UART连接器

2.6不同版本

实际上，该板有2个不同版本，即C版和D版。它们的性能大致相同，但是硬件上存在一些差异。
•版本C：
红外发射器的标称半强度角为±20°（很小，金黄色发射器位于电路板的顶部）。
•D版
红外发射器的标称半强度角为±60°（它们是板顶部的白色发射器）。
红外峰值接收器已拆分。每个峰值接收器模块由3个光电二极管组成，这些信息被合并并提取为一个单独的传感器。因此，有12组3个光电二极管。

3.安装E-Puck范围和轴承板

要安装E-puck范围和轴承板，只需拧下将e-jumper板和e-puck相连的3个螺钉。之后，您必须拔下电子跳线板的插头，然后插入E-puck范围和轴承。您可以再次将E-puck范围和轴承板顶部的电子跳线板插入。但是，请看第7节，了解两块板之间的不兼容性。

4.固件

电路板初始化后，将以1.09 µs的周期初始化一个脉宽调制（PWM）计时器。此计时器创建发射的载体
该模块只有在板上电后才能停止。实施Manch-ester码以允许接收器以相同的强度接收在一定距离下发送的任何数据。负责调制信号的计时器每100 µs中断一次。实施
曼彻斯特代码允许的最大数据速率为5 kbps。定时器的每次中断都会获取所存储的数据，并将其发送到硬件门进行传输。用于传输的数据存储在根据硬件引脚排列正确构造的缓冲区中。可以向通讯板询问三种不同类型的传输：
•所有传感器都传输相同的数据：一条指令连同要传输的数据一起发送到板。
•仅某些传感器发送数据：每个传感器必须向板发送一条指令。数据和传感器编号也必须提供给开发板。加载所有传感器后，必须将发送指令发送到板。
•不同的传感器传输不同的数据：每个传感器必须向板发送一条指令。数据和传感器编号也必须提供给开发板。加载所有传感器后，必须将发送指令发送到板。
一旦主机将传输命令发送到板，通信模块将负责用前导码（6位），数据（16位）和CRC（4位）分解不同传感器的数据）。如果主机需要发送数据流，则通信模块以透明方式将所有消息依次传输给传输计时器。
接收软件正在不断检查消息是否到达。红外调制接收器检测到帧的前同步码后，该板将继续通过红外光电二极管为峰值检测器充电时接收数据和CRC。如果帧已正确到达（由CRC检查），则将读取峰值检测器电平并将其存储在缓冲区中。由于接收传感器的孔径较大，因此可能有多个传感器同时接收相同的数据。不同峰值检测器提供的信息用于计算方向和到发射器的距离。然后，将这两个值存储在缓冲区中，以发送到主板。图8显示了发射和接收软件模块的框图。

图8：（a）软件发射模块和（b）软件接收模块的框图。
红外噪声主要来自环境中的光照条件。为了解决这个问题，开发板在开始时就测量环境中的红外信号。正确接收到帧后，开发板将从峰值接收器中减去环境测量值，并将其作为帧信号强度返回。

5.e-RandB库

待更新

6.e-Puck示例

待更新

7.问题报告

E-puck测距板在使用过程中会遇到不同问题。

7.1红外线接近干扰

因为E-puck范围和轴承板通过IR通信，所以当接近传感器激活时会产生干扰。如果您测试示例，您将看到帧的数据完美到达，因为信息是经过调制的。但是，范围和方位计算将受到干扰。某些人正在解决不使用红外接近传感器时停止它们的问题。

7.2电子跳线与UART通信

一些发烧友正在使用E-Puck范围和轴承板并且已插入E-Jumper板时检测到问题。问题是因为电子跳线板在UART模式下使E-puck测距和轴承板使用的某些线路短路。如果在插入电子跳线板的同时打开四个位置开关（S1）的PIN1和PIN4，则将无法与E-puck范围和轴承板通信。如果您将其关闭，则一切正常。一些发烧友说，即使更改了S1，有些板也无法通过UART进行通信，而其他板则可以。尚未解决此问题。

8.epuck2

e-puck2标准固件包含范围和轴承扩展的示例用法。当选择器处于位置4时，机器人设置为接收器，当处于位置5时，机器人同时为发射器和接收器。在两个演示中，接收到的信息（接收到的数据、方位、距离和传感器id）将通过蓝牙打印。
请注意，机器人与测距和方位扩展之间唯一可用的通信通道是I2C总线，UART通道不适用于e-puck 2。

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