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)通過無線收發(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通過訪問特定地址和I／O端口來控制CPLD，CPLD則通過可編程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。