基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的智能滅火機(jī)器人怎樣設(shè)計(jì)

0 引 言

控制器是智能機(jī)器人處理和控制信息的主體，它直接決定了機(jī)器人的行為和性能。近幾年來(lái)隨著高性能微控制器和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為各類實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供了解決方案。

嵌入式系統(tǒng)（ES）是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的系統(tǒng)，其是硬件和軟件緊密捆綁在一起的系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人的性能智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化都有了明顯提高。

比賽用滅火機(jī)器人需要機(jī)器人有智能較高的自動(dòng)控制性能與可靠的機(jī)械控制性能的同時(shí)保證，才能在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確尋找到火源并滅火回家。在此以ARM9處理器為核心，對(duì)基于嵌入式系統(tǒng)的智能滅火機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文將從硬件和軟件方面講述智能滅火機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)方法，并且給出了機(jī)器人滅火的具體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性，為智能滅火機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供了平臺(tái)。

1 滅火機(jī)器人的描述

滅火機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的主要構(gòu)件有：紅外發(fā)射傳感器（6個(gè)），紅外接收傳感器（6個(gè)），聲音傳感器（1個(gè)），滅火風(fēng)扇（前后各1個(gè)），遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯龋ㄇ昂蟾?個(gè)）。其中紅外發(fā)射和接受傳感器的配合使用可以使機(jī)器人自動(dòng)避障行走。遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢?a target="_blank">檢測(cè)光的強(qiáng)弱，用于判斷房間是否有火以及趨光滅火。聲音傳感器用于啟動(dòng)。基于實(shí)踐，風(fēng)扇滅火更為可靠，所以選用風(fēng)扇滅火。

2 滅火機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

在智能滅火機(jī)器人系統(tǒng)中，首先要解決的是定位問(wèn)題，故需要一個(gè)好的定位方案。所以，控制核心需要給傳感器留足夠的輸入接口，同時(shí)也要有足夠的輸出接口用于控制外設(shè)。而速度對(duì)滅火機(jī)器人至關(guān)重要，在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，需要CPU具有比較強(qiáng)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力?；谏鲜隹紤]，選擇ARM9為滅火機(jī)器人的控制核心，該控制器硬件功能齊全、功耗小、周邊設(shè)備集成度高，是先進(jìn)的智能機(jī)器人計(jì)算平臺(tái)。它與其他的主要部件如表1所示，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

3 滅火機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，可以完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用嵌入式ARM9為核心的控制器（ST公司的STR911FAM44），實(shí)現(xiàn)了以極少的周邊芯片獲得齊全的功能。ARM9處理器具有體積小，功耗低，性能高的特點(diǎn)。它集成了28路模擬信號(hào)采集通道，可以兼容數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，每路精度為10位，因此可以分辨3 mV特的輸入電壓變化。8路高速數(shù)據(jù)采集通道每秒可采集50萬(wàn)次信號(hào)。該處理器內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行1.1億條機(jī)器指令，這樣的強(qiáng)大功能可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，并且機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。在主控制器核心CPU的基礎(chǔ)上，將各種功能模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等連接到CPU的引腳上?？刂破骺偣灿?8路模擬采樣接口。ARM9控制器的系統(tǒng)圖如圖3所示。

在此選用Atmel公司生產(chǎn)的AVR ATmega 8微處理器作為輔助單片機(jī)。ATmega 8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于它先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega 8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。同時(shí)ATmega 8具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語(yǔ)言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器／軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。這樣就大大方便了在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

ARM9處理器含有20路標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集通道通過(guò)Atmega816-PC輔助單片機(jī)連接到主芯片上，用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器組及檢測(cè)端口的數(shù)值，每秒可采集1 000次。這種設(shè)計(jì)提高了端口數(shù)值讀取速度，使機(jī)器人能對(duì)周圍環(huán)境信息做出迅速判斷。ARM9微處理器與輔助單片機(jī)如圖4所示。

為了保證滅火機(jī)器人靈活行走和低功耗，需要一個(gè)體積小，超薄輕巧，功耗低的顯示器。Uniohm公司生產(chǎn)的LCD滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)與單片機(jī)連接、編程、下載、完成顯示功能。

3.2 控制器電源供電設(shè)計(jì)

電源直接影響機(jī)器人運(yùn)行特性。考慮到電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此這里采用雙電源供電方案。電機(jī)電源采用容量為2 500 mAh高放電倍率聚合物鋰電池，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測(cè)，控制器電源供電電路圖如圖5所示。

為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級(jí)的電壓，該設(shè)計(jì)采用1個(gè)LM317T三端穩(wěn)壓器和2個(gè)AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過(guò)其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V，3.3 V，1.8 V三種電壓；用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，通過(guò)R1，R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。

4 滅火機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制器是一個(gè)多任務(wù)并行執(zhí)行的實(shí)時(shí)控制器。在軟件實(shí)現(xiàn)上，滅火機(jī)器人除了要協(xié)調(diào)控制各個(gè)不同功用的電機(jī)，還需要對(duì)紅外、灰度、聲音等多種傳感器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理等。采用c語(yǔ)言可以方便快捷的編寫程序。這里對(duì)滅火機(jī)器人的每種功能進(jìn)行模塊化處理?？傮w的思路是：尋找火源．確定火源方位，接近火源，趨光滅火，回家。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。實(shí)現(xiàn)起來(lái)最基本的就是使機(jī)器人能夠順利的直線行走和拐彎，這一模塊稱為沿墻走（沿左墻前，沿左墻后，沿右墻前。沿右墻后），沿右墻前如圖7所示。具體為：

（1）若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍小時(shí)，太靠近右墻，執(zhí)行左轉(zhuǎn)微調(diào)；

（2）若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍大時(shí)，太靠近左墻，執(zhí)行右轉(zhuǎn)微調(diào)；

（3）若正前距離很大，右前距離適中，就直行；

（4）若正前距離特別小，同時(shí)右前距離特別小時(shí)，使機(jī)器人稍后退可以防碰撞；

（5）若正前距離比較小，右前距離也比較小時(shí)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)；

（6）右前距離很大時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行右轉(zhuǎn)彎。

其中：（1）～（3）保證了在走直線時(shí)可以走直，通過(guò)不斷調(diào)整，使機(jī)器人始終運(yùn)行在距離墻10～15 cm的位置。（4）～（6）保證了機(jī)器人順利拐彎和進(jìn)房間。沿左墻行走及反方向沿墻行進(jìn)同理，具體的參數(shù)必須在不斷試驗(yàn)中反復(fù)調(diào)節(jié)。幾種沿墻走配合使用就可以實(shí)現(xiàn)全部房間的遍歷和回家，再加上趨光和滅火的模塊就完成了整個(gè)滅火任務(wù)。

5 滅火實(shí)驗(yàn)

在硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，用C語(yǔ)言編寫了讓器人智能搜索房間，發(fā)現(xiàn)火源并滅火回家的程序。在不斷對(duì)各種參數(shù)的調(diào)節(jié)后，該機(jī)器人可以在8 s內(nèi)完成任意房間滅火，滅完火后，機(jī)器人自動(dòng)回家。統(tǒng)計(jì)了30組數(shù)據(jù)，如表2所示。滅火照片如圖8所示。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際測(cè)試證明該設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人能夠較好完成滅火任務(wù)，具有一定參考和使用價(jià)值。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處為：以AM09為核心的嵌入式系統(tǒng)的控制器運(yùn)行速度高，能夠高速采集和處理傳感器系統(tǒng)信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)8 s內(nèi)完成任意房間滅火；該設(shè)計(jì)采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力；STR911FAM46和AVR-ATMEGA8-16PC的選用在實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大的同時(shí)，保證了良好的擴(kuò)展性，并且成本較低，有利于智能機(jī)器人早日實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化；雙電源供電系統(tǒng)的引入，使機(jī)器人的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；通過(guò)沿墻行進(jìn)規(guī)則的設(shè)計(jì)，機(jī)器人的靈敏度和適應(yīng)外界變化的特性明顯提高，且程序簡(jiǎn)捷，有利于模塊化編程。

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