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1 引言 智能移動(dòng)機器人集成了機械、電子、計算機、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的研究成果，在當前機器人研究領(lǐng)域具有突出地位�？刂葡到y是機器人的核心部分，目前應用在機器人底層控制系統的微控制器主要有8／16位單片機和數字信號處理器(DSP)兩種類(lèi)型。但使用8／16位單片機處理數據能力低，且硬件電路龐大，系統穩定性弱，DSP的設計初衷是為了數字信號處理，相比而言，嵌入式微處理器ARM具有幾乎相同的內部資源和運算速度，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A(yíng)RM和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的智能輪式移動(dòng)機器人控制系統，實(shí)現移動(dòng)機器人的底層控制。 2 系統組成及工作原理 該系統設計的輪式移動(dòng)機器人機械導航結構采用四輪差速轉向式的機械機構，前面兩個(gè)輪是隨動(dòng)輪，起支撐作用，后面兩個(gè)輪是驅動(dòng)輪，由兩臺同步電機驅動(dòng)，分別控制兩個(gè)驅動(dòng)輪的轉速，可使機器人按照不同方向和速度移動(dòng)，運動(dòng)靈活，可控性好。 移動(dòng)機器人以PC機作為上位機，利用攝像頭對機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)行路徑規劃。上位機發(fā)送運動(dòng)控制指令給移動(dòng)機器人的底層控制系統，提供左右驅動(dòng)電機的理論速度值。以ARM和CPLD為核心的機器人控制系統與上位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現通訊，根據上位機的命令控制電機的運行和超聲渡傳感器組的發(fā)送與接收；并根據障礙物信息，做出避障決策。智能移動(dòng)機器人的控制系統結構框圖如圖1所示。 3 控制系統硬件設計 3.1 主控模塊設計 該智能輪式移動(dòng)機器人控制系統的核心控制器采用Samsung公司的S3C44B0X，它是基于A(yíng)RM7TDMI核(適用于實(shí)時(shí)環(huán)境)的32位微處理器，具有高速運算能力、A／D轉換器、豐富的I／O端口和中斷，有利于實(shí)現移動(dòng)機器人的電機控制、傳感器信息處理、外部通訊以及復雜的控制算法。系統采用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。該系統設計充分利用了CPLD的高速邏輯處理能力，主控制器ARM只需設定控制參數，這樣就減輕主控制器的負擔，提高系統的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也減少了外圍硬件電路，提高控制系統的穩定性和可重構性。 ARM與CPLD通過(guò)并行總線(xiàn)連接，該并行總線(xiàn)包括ARM器件的地址、數據、控制和多路可編程I／O總線(xiàn)。ARM通過(guò)訪(fǎng)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)送中斷請求。 3.2 電機控制和驅動(dòng)模塊的設計 輪式移動(dòng)機器人的兩個(gè)驅動(dòng)輪速度分別由兩臺驅動(dòng)電機控制，實(shí)現機器人不同方向和速度的運動(dòng)。輪式移動(dòng)機器人的性能要求電機轉矩大，脈動(dòng)小。在高、中、低速下驅動(dòng)電機均有良好的性能，且控制方式簡(jiǎn)單，因此驅動(dòng)電機選用方波驅動(dòng)的交流永磁同步電機。這種電機根據轉子位置反饋信息采用電子換相運行，電機轉速與驅動(dòng)信號的頻率成正比，既具備交流電機結構簡(jiǎn)單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機動(dòng)態(tài)特性好，調速性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。 系統通過(guò)CPLD和外部驅動(dòng)器件構成控制電路，采用方波驅動(dòng)和定位控制(通電狀態(tài)控制)的方式，控制兩臺永磁同步電機，獲得可調的精確速度和位置控制，結構緊湊。兩路電機控制原理相同，這里只介紹一路。 CPLD中的電機控制電路由分頻電路、調速電路、相序分配電路組成。其中，分頻電路由分頻器構成；調速電路是利用MAX+PLUSⅡ的LPM宏單元庫的算術(shù)運算模塊lpm_counter構成可預置數的5位減計數器。根據所需的速度，設置預置數，計數器對分頻電路輸山的clk脈沖信號減計數至零時(shí)輸出一個(gè)借位脈沖，并再次裝入預置數進(jìn)行減計數，將其借位脈沖cout作為調速電路的輸出脈沖，cout借位脈沖的頻率范圍為fclk／1-fclk／31，即引入了步長(cháng)為1的調速因子(預置數)�？赏ㄟ^(guò)改變調速因子對脈沖信號進(jìn)行1～31倍的連續可調分頻，從而調節電機的轉速；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，作為兩相同步電機的控制信號；stop信號控制電機的啟停；dir信號控制電機的轉向，正轉時(shí)相電壓uCD超前uAB 90°，反轉時(shí)uAB超前uCD90°，各相信號的頻率為cout脈沖頻率的1／4。CPLD中輸入的調速和相序分配電路原理見(jiàn)圖2。仿真結果驗證了設計邏輯的正確性，如圖3所示。 外部驅動(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相方波信號經(jīng)總線(xiàn)收發(fā)器74LS245輸出至L298的輸入端IN1～IN4，控制H橋的通斷，使電機正反轉或停止。為防止電機在啟停瞬間的反饋電壓損壞L298，在L298輸出端和電機之間加人8個(gè)二極管起斷電續流的保護作用。 為了改善電機的控制性能，實(shí)現對機器人更精確和穩定的運動(dòng)控制，需要獲得電機的速度信息作為電機控制的反饋環(huán)節，該系統采用增量式光電編碼器作速度檢測，兩個(gè)光電編碼器分別與兩路電機同軸相連，由CPLD配合ARM器件實(shí)現變脈沖數／脈沖周期測速，即變M／T測速，定時(shí)對電機速度進(jìn)行采樣。采樣速度和上位機的給定速度所得差值傳人PID控制器。從而實(shí)現對電機速度的閉環(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機基于機器人視覺(jué)系統實(shí)現的路徑規劃易受視場(chǎng)光線(xiàn)強弱、背景色等因素干擾，針對這一問(wèn)題，機器人在單片機控制系統中采用超聲傳感器測距實(shí)現機器人對障礙物的檢測和定位。 超聲波測距采用時(shí)間渡越測距法，即根據從超聲波發(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)，得出機器人與障礙物之間的距離l=vt／2。該模塊共采用3對超聲換能器，分布于機器人的正前方、左前方、右前方。ARM發(fā)出控制信號啟動(dòng)內部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)�？刂菩盘柦�(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅動(dòng)電路的啟動(dòng)信號，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)器的計數值，并計算出距離。超聲傳感模塊框圖見(jiàn)圖4。 4 控制系統軟件設計 4.1 嵌入式操作系統 智能輪式移動(dòng)機器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統，傳統單任務(wù)順序執行機制不能滿(mǎn)足該系統設計的實(shí)時(shí)性要求，而且對于復雜系統來(lái)說(shuō)可靠性不高，因此選用實(shí)時(shí)操作系統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，具有代碼尺寸小，可占用實(shí)時(shí)內核，任務(wù)多，可確定執行時(shí)間，運行穩定可靠等特點(diǎn)。將μC／OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并對操作系統進(jìn)行裁剪，以節省存儲空間。 基于實(shí)時(shí)內核的多任務(wù)系統可劃分為系統層和應用層。系統層由內核和驅動(dòng)程序庫組成；應用層包括用于達成機器人任務(wù)目標的全部代碼。在該系統軟件應用層程序設計中，將機器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機控制等多個(gè)用戶(hù)任務(wù)。嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ對任務(wù)模塊進(jìn)行管理調度，協(xié)調機器人各項任務(wù)運行，保證了系統的實(shí)時(shí)性和可靠性。 4.2運動(dòng)控制算法 為了保證移動(dòng)機器人運動(dòng)的穩定性和準確性，使得系統在控制機器人前進(jìn)、后退、轉彎、剎車(chē)等動(dòng)作時(shí)都能快速響應且超調量小，在控制電機的過(guò)程中，系統采用了積分分離的PID控制算法。算法的具體實(shí)現方法如下： 5 結語(yǔ) 提出了一種基于A(yíng)RM和CPLD的智能輪式移動(dòng)機器人控制系統，這一方案充分利用ARM和CPLD的內部資源，既具有ARM微控制器體積小，運算速度快等特點(diǎn)，又具有CPLD的高速邏輯處理能力，靈活的可擴展性和可重構性。軟硬件的調試和運行實(shí)驗證明，系統控制靈活，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，能夠滿(mǎn)足智能輪式移動(dòng)機器人的控制需求。這種智能輪式移動(dòng)機器人的控制系統可用于不同場(chǎng)合的移動(dòng)機器人控制系統，并具有一定的普遍適用性，且性?xún)r(jià)比高，具有很強的實(shí)用價(jià)值。 |
