智能輪式移動機器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

智能移動機器人集成了機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等多學科的研究成果，在當前機器人研究領(lǐng)域具有突出地位。控制系統(tǒng)是機器人的核心部分，目前應用在機器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有8／16位單片機和數(shù)字信號處理器(DSP)兩種類型。但使用8／16位單片機處理數(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)計初衷是為了數(shù)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(nèi)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，有利于將來機器人的網(wǎng)絡控制。綜合考慮以上因素，這里提出了一種基于ARM和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的智能輪式移動機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)移動機器人的底層控制。

　　2系統(tǒng)組成及工作原理

　　該系統(tǒng)設(shè)計的輪式移動機器人機械導航結(jié)構(gòu)采用四輪差速轉(zhuǎn)向式的機械機構(gòu)，前面兩個輪是隨動輪，起支撐作用，后面兩個輪是驅(qū)動輪，由兩臺同步電機驅(qū)動，分別控制兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，可使機器人按照不同方向和速度移動，運動靈活，可控性好。

　　移動機器人以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)境進行分析，建立環(huán)境地圖，進行路徑規(guī)劃。上位機發(fā)送運動控制指令給移動機器人的底層控制系統(tǒng)，提供左右驅(qū)動電機的理論速度值。以ARM和CPLD為核心的機器人控制系統(tǒng)與上位機通過無線收發(fā)模塊實現(xiàn)通訊，根據(jù)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(jù)障礙物信息，做出避障決策。智能移動機器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1主控模塊設(shè)計

　　該智能輪式移動機器人控制系統(tǒng)的核心控制器采用Samsung公司的S3C44B0X，它是基于ARM7TDMI核(適用于實時環(huán)境)的32位微處理器，具有高速運算能力、A／D轉(zhuǎn)換器、豐富的I／O端口和中斷，有利于實現(xiàn)移動機器人的電機控制、傳感器信息處理、外部通訊以及復雜的控制算法。系統(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擔，提高系統(tǒng)的實時性，同時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)送中斷請求。

　　3.2電機控制和驅(qū)動模塊的設(shè)計

　　輪式移動機器人的兩個驅(qū)動輪速度分別由兩臺驅(qū)動電機控制，實現(xiàn)機器人不同方向和速度的運動。輪式移動機器人的性能要求電機轉(zhuǎn)矩大，脈動小。在高、中、低速下驅(qū)動電機均有良好的性能，且控制方式簡單，因此驅(qū)動電機選用方波驅(qū)動的交流永磁同步電機。這種電機根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋信息采用電子換相運行，電機轉(zhuǎn)速與驅(qū)動信號的頻率成正比，既具備交流電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機動態(tài)特性好，調(diào)速性能優(yōu)良的優(yōu)點。

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