智能輪式移動(dòng)機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

智能移動(dòng)機(jī)器人集成了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的研究成果，在當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域具有突出地位。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分，目前應(yīng)用在機(jī)器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有8／16位單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)兩種類型。但使用8／16位單片機(jī)處理數(shù)據(jù)能力低，且硬件電路龐大，系統(tǒng)穩(wěn)定性弱，DSP的設(shè)計(jì)初衷是為了數(shù)字信號(hào)處理，相比而言，嵌入式微處理器ARM具有幾乎相同的內(nèi)部資源和運(yùn)算速度，但在控制方面性能優(yōu)于DSP，而且許多ARM器件支持TCP／IP協(xié)議，有利于將來(lái)機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)控制。綜合考慮以上因素，這里提出了一種基于ARM和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的底層控制。

　　2系統(tǒng)組成及工作原理

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械導(dǎo)航結(jié)構(gòu)采用四輪差速轉(zhuǎn)向式的機(jī)械機(jī)構(gòu)，前面兩個(gè)輪是隨動(dòng)輪，起支撐作用，后面兩個(gè)輪是驅(qū)動(dòng)輪，由兩臺(tái)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，可使機(jī)器人按照不同方向和速度移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可控性好。

　　移動(dòng)機(jī)器人以PC機(jī)作為上位機(jī)，利用攝像頭對(duì)機(jī)器人的自身位置和外部環(huán)境進(jìn)行分析，建立環(huán)境地圖，進(jìn)行路徑規(guī)劃。上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令給移動(dòng)機(jī)器人的底層控制系統(tǒng)，提供左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理論速度值。以ARM和CPLD為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)與上位機(jī)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)通訊，根據(jù)上位機(jī)的命令控制電機(jī)的運(yùn)行和超聲渡傳感器組的發(fā)送與接收；并根據(jù)障礙物信息，做出避障決策。智能移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1主控模塊設(shè)計(jì)

　　該智能輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心控制器采用Samsung公司的S3C44B0X，它是基于ARM7TDMI核(適用于實(shí)時(shí)環(huán)境)的32位微處理器，具有高速運(yùn)算能力、A／D轉(zhuǎn)換器、豐富的I／O端口和中斷，有利于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)控制、傳感器信息處理、外部通訊以及復(fù)雜的控制算法。系統(tǒng)采用CPLD作為協(xié)處理器，提供可編程脈沖產(chǎn)生電路、光電編碼器輸入電路、超聲波傳感器輸入電路，這里選擇ALTERA公司的MAXⅡ系列EPM1270器件。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了CPLD的高速邏輯處理能力，主控制器ARM只需設(shè)定控制參數(shù)，這樣就減輕主控制器的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也減少了外圍硬件電路，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重構(gòu)性。

　　ARM與CPLD通過(guò)并行總線連接，該并行總線包括ARM器件的地址、數(shù)據(jù)、控制和多路可編程I／O總線。ARM通過(guò)訪問(wèn)特定地址和I／O端口來(lái)控制CPLD，CPLD則通過(guò)可編程I／O端口向ARM發(fā)送中斷請(qǐng)求。

　　3.2電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

　　輪式移動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度分別由兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同方向和速度的運(yùn)動(dòng)。輪式移動(dòng)機(jī)器人的性能要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，脈動(dòng)小。在高、中、低速下驅(qū)動(dòng)電機(jī)均有良好的性能，且控制方式簡(jiǎn)單，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用方波驅(qū)動(dòng)的交流永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋信息采用電子換相運(yùn)行，電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率成正比，既具備交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機(jī)動(dòng)態(tài)特性好，調(diào)速性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)通過(guò)CPLD和外部驅(qū)動(dòng)器件構(gòu)成控制電路，采用方波驅(qū)動(dòng)和定位控制(通電狀態(tài)控制)的方式，控制兩臺(tái)永磁同步電機(jī)，獲得可調(diào)的精確速度和位置控制，結(jié)構(gòu)緊湊。兩路電機(jī)控制原理相同，這里只介紹一路。

　CPLD中的電機(jī)控制電路由分頻電路、調(diào)速電路、相序分配電路組成。其中，分頻電路由分頻器構(gòu)成；調(diào)速電路是利用MAX+PLUSⅡ的LPM宏單元庫(kù)的算術(shù)運(yùn)算模塊lpm_counter構(gòu)成可預(yù)置數(shù)的5位減計(jì)數(shù)器。根據(jù)所需的速度，設(shè)置預(yù)置數(shù)，計(jì)數(shù)器對(duì)分頻電路輸山的clk脈沖信號(hào)減計(jì)數(shù)至零時(shí)輸出一個(gè)借位脈沖，并再次裝入預(yù)置數(shù)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，將其借位脈沖cout作為調(diào)速電路的輸出脈沖，cout借位脈沖的頻率范圍為fclk／1-fclk／31，即引入了步長(zhǎng)為1的調(diào)速因子(預(yù)置數(shù))。可通過(guò)改變調(diào)速因子對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行1～31倍的連續(xù)可調(diào)分頻，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；而相序分配電路是以cout借位脈沖作為輸入，利用兩個(gè)D觸發(fā)器和門(mén)電路輸出4路相位相差90°的方波脈沖，作為兩相同步電機(jī)的控制信號(hào)；stop信號(hào)控制電機(jī)的啟停；dir信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)時(shí)相電壓uCD超前uAB 90°，反轉(zhuǎn)時(shí)uAB超前uCD90°，各相信號(hào)的頻率為cout脈沖頻率的1／4。CPLD中輸入的調(diào)速和相序分配電路原理見(jiàn)圖2。仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)邏輯的正確性，如圖3所示。

　　外部驅(qū)動(dòng)器采用L298雙H橋高電壓大電流功率集成電路，將脈沖發(fā)牛電路產(chǎn)生的4相方波信號(hào)經(jīng)總線收發(fā)器74LS245輸出至L298的輸入端IN1～I(xiàn)N4，控制H橋的通斷，使電機(jī)正反轉(zhuǎn)或停止。為防止電機(jī)在啟停瞬間的反饋電壓損壞L298，在L298輸出端和電機(jī)之間加人8個(gè)二極管起斷電續(xù)流的保護(hù)作用。

　　為了改善電機(jī)的控制性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人更精確和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制，需要獲得電機(jī)的速度信息作為電機(jī)控制的反饋環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作速度檢測(cè)，兩個(gè)光電編碼器分別與兩路電機(jī)同軸相連，由CPLD配合ARM器件實(shí)現(xiàn)變脈沖數(shù)／脈沖周期測(cè)速，即變M／T測(cè)速，定時(shí)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行采樣。采樣速度和上位機(jī)的給定速度所得差值傳人PID控制器。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的閉環(huán)控制。

　　3.3超聲傳感模塊

　　避障是智能移動(dòng)機(jī)器人的基本功能，避障的首要任務(wù)是確定障礙物位置。PC機(jī)基于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的路徑規(guī)劃易受視場(chǎng)光線強(qiáng)弱、背景色等因素干擾，針對(duì)這一問(wèn)題，機(jī)器人在單片機(jī)控制系統(tǒng)中采用超聲傳感器測(cè)距實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)障礙物的檢測(cè)和定位。

　　超聲波測(cè)距采用時(shí)間渡越測(cè)距法，即根據(jù)從超聲波發(fā)生器發(fā)射出超聲波到超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物后超聲波接收器接收到反射波所用時(shí)間t，以及超聲波在空氣中的傳播速度v(v=331.4(1+T／273)1/2m／s；T為攝氏溫度)，得出機(jī)器人與障礙物之間的距離l=vt／2。該模塊共采用3對(duì)超聲換能器，分布于機(jī)器人的正前方、左前方、右前方。ARM發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)。控制信號(hào)經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)信號(hào)，由超聲傳感器產(chǎn)生遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)放大后通過(guò)接收電路引起ARM外部中斷，在中斷程序中可以獲得定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并計(jì)算出距離。超聲傳感模塊框圖見(jiàn)圖4。

　　4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1嵌入式操作系統(tǒng)

　　智能輪式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務(wù)順序執(zhí)行機(jī)制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求，而且對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可靠性不高，因此選用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。它是一個(gè)源碼公開(kāi)，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實(shí)時(shí)內(nèi)核，任務(wù)多，可確定執(zhí)行時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。將μC／OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。

　　基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)組成；應(yīng)用層包括用于達(dá)成機(jī)器人任務(wù)目標(biāo)的全部代碼。在該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)中，將機(jī)器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機(jī)控制等多個(gè)用戶任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)模塊進(jìn)行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機(jī)器人各項(xiàng)任務(wù)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　4.2運(yùn)動(dòng)控制算法

　　為了保證移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，使得系統(tǒng)在控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車等動(dòng)作時(shí)都能快速響應(yīng)且超調(diào)量小，在控制電機(jī)的過(guò)程中，系統(tǒng)采用了積分分離的PID控制算法。算法的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

　　5? 結(jié)語(yǔ)

　　提出了一種基于ARM和CPLD的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，這一方案充分利用ARM和CPLD的內(nèi)部資源，既具有ARM微控制器體積小，運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，又具有CPLD的高速邏輯處理能力，靈活的可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性。軟硬件的調(diào)試和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)控制靈活，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，能夠滿足智能輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制需求。這種智能輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)可用于不同場(chǎng)合的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，并具有一定的普遍適用性，且性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。