基于嵌入式的輪式移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

1 引言

輪式移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它集機(jī)械、電子、檢測(cè)技術(shù)與智能控制于一體，是一個(gè)典型的智能控制系統(tǒng)。智能機(jī)器人比賽集高科技、娛樂(lè)、競(jìng)技于一體，已成為國(guó)際上廣泛開(kāi)展的高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)?，F(xiàn)以ARM7處理器為控制核心，采用無(wú)線通信技術(shù)，并移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/0S一Ⅱ設(shè)計(jì)了一套智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)技機(jī)器人的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。中央處理器采用微控制器結(jié)構(gòu)，用以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行。舵機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向；驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。電磁鐵作為機(jī)械手夾緊的執(zhí)行元件。設(shè)置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測(cè)輸入和8路開(kāi)關(guān)量檢測(cè)接口。整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)通過(guò)LCD動(dòng)態(tài)顯示。

2.1 微控制器的選型

機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和功能較多，需要多個(gè)傳感器對(duì)外界進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的位置、動(dòng)作和運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位ARM7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器，它采用3級(jí)流水線技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運(yùn)行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器、6路PWM輸出和47個(gè)通用I／0口，所以特別適用于對(duì)環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機(jī)器人系統(tǒng)。因此選用LPC2129為主控制器，可以獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。

2.2 無(wú)線通信接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是：①有兩個(gè)頻道可供選擇，工作速率高達(dá)20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡(jiǎn)單，因此特別適合機(jī)器人小型化要求；④可直接接單片機(jī)串口模塊，控制簡(jiǎn)單；⑤抗干擾能力強(qiáng)；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

2.3 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 光電檢測(cè)過(guò)程

設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊，使機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白色引導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達(dá)幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百千赫茲范圍之內(nèi)，因此能夠滿足要求。光源驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射。

接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這種電信號(hào)通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大形式，可以將調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，為信號(hào)處理提供方便。調(diào)制信號(hào)處理部分對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。因此，該模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。

2.3.2 光電探頭

在機(jī)器人底盤(pán)前部安裝有光電探頭，共設(shè)置了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

從理論上講，檢測(cè)點(diǎn)越多，越密，識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性越高。但是硬件的開(kāi)銷(xiāo)與軟件的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加。采用該尋線系統(tǒng)保證了檢測(cè)的精確度，也節(jié)約了硬件的開(kāi)銷(xiāo)。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強(qiáng)弱線性變化。檢測(cè)出這種變化，即可判斷某一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)是否在白色引導(dǎo)線的上方，從而判斷機(jī)器人和白色引導(dǎo)線的相對(duì)位置。

2.4 超聲波測(cè)距傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

兩路超聲波傳感器用以控制機(jī)器人避開(kāi)障礙物，并預(yù)測(cè)機(jī)器人相對(duì)目的地距離，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時(shí)管腳相連接。整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機(jī)控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)超聲波換能器發(fā)射超聲波。

圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號(hào)通過(guò)電容C2隔除掉了信號(hào)中的直流量并給超聲波換能器MA40S2S。其工作過(guò)程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)反向器U1C變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大，C2隔除直流信號(hào)后加在超聲波換能器MA40S2S進(jìn)行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長(zhǎng)時(shí)間加直流電壓，會(huì)使其特性明顯變差，因此一般對(duì)交流電壓進(jìn)行隔除直流處理。U2A為74ALS00與非門(mén)，control_port（控制端口）引腳為控制口，當(dāng)control_port為高電平時(shí)，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。

圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對(duì)換能器接收到的信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大后，通過(guò)電壓比較器LM339將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL脈沖信號(hào)。INT_Port與單片機(jī)中斷管腳相連，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)立即進(jìn)入中斷并對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理和判斷。

3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS—II的移植

μC／OS—II是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能。μC／OS—II進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時(shí)，會(huì)把當(dāng)前任務(wù)的CPU寄存器存放到該任務(wù)堆棧中，然后再?gòu)牧硪粋€(gè)任務(wù)堆棧中恢復(fù)原來(lái)的工作寄存器，繼續(xù)運(yùn)行另一個(gè)任務(wù)。

根據(jù)各個(gè)控制功能和微控制器的資源結(jié)構(gòu)對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分，共劃分為7個(gè)應(yīng)用任務(wù)，其劃分過(guò)程如圖7所示。無(wú)線串行通信采用中斷接收方式，保證數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性。

μC/OS一Ⅱ任務(wù)的建立包括定義任務(wù)堆棧、設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級(jí)、初始化該任務(wù)要求的系統(tǒng)硬件及實(shí)現(xiàn)具體的控制過(guò)程等4部分。現(xiàn)以任務(wù)1為例，介紹應(yīng)用任務(wù)的建立過(guò)程。

在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，可使程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，而且無(wú)需大的改動(dòng)即可增加新的功能。通過(guò)將應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)模塊，可大大簡(jiǎn)化應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程；而且能快速、可靠地對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的事件。通過(guò)有效的系統(tǒng)服務(wù)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能使系統(tǒng)資源得到更好的利用。

4 調(diào)試運(yùn)行

在機(jī)器人控制系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，μC／OS一Ⅱ?qū)Χ褩？臻g、各個(gè)控制寄存器和外設(shè)器件的硬件進(jìn)行初始化，并設(shè)定當(dāng)前各個(gè)功能部件的初始狀態(tài)。

在實(shí)時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)下，機(jī)器人正常啟動(dòng)后，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)器人在比賽場(chǎng)上的運(yùn)行狀況，若出現(xiàn)某一動(dòng)作或功能無(wú)效則給出出錯(cuò)信息。正常運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人在比賽場(chǎng)上的坐標(biāo)值和動(dòng)作狀態(tài)，如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)智能機(jī)器人的控制要求，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線通信的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)上移植了嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ。利用光電檢測(cè)模塊和超聲波導(dǎo)航模塊感知外部信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能機(jī)器人的控制。