基于H橋控制的移動(dòng)機器人系統方案

引言

近年來(lái)隨著(zhù)人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對移動(dòng)機器人的研究越來(lái)越廣泛。本設計是采用OpenWrt操作系統的移動(dòng)機器人，它可實(shí)現多種不同功能，如探測險情、巡視、圖像采集、定位、無(wú)線(xiàn)通信等。它還可以作為各種智能控制方法(包括動(dòng)態(tài)避障、路徑規劃、群體協(xié)作策略)的良好載體，開(kāi)展研究。

1 系統方案

采用2層架構。上層以ARM處理器S3C2440為核心，選用MINI2440開(kāi)發(fā)板作為上層的主板，負責圖像采集，并將圖像通過(guò)WiFi方式發(fā)送給遠端的PC機。WiFi無(wú)線(xiàn)通信是利用PC機與無(wú)線(xiàn)路由器搭建環(huán)境平臺共同實(shí)現的。

下層是以51單片機為核心的單片機控制板，由51單片機及外圍電路組成。下層主要負責機器人移動(dòng)控制，傳感器數據處理。51單片機通過(guò)I/O口輸出PWM信號控制直流電機的轉速和轉向，實(shí)現機器人的前進(jìn)、停止、左轉和右轉。單片機接口電路上掛接了1個(gè)超聲波測距模塊、1個(gè)人體紅外感應模塊、1個(gè)步進(jìn)電機模塊。超聲波測距模塊用來(lái)實(shí)現機器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個(gè)步進(jìn)電機，而超聲波測距模塊安置在步進(jìn)電機的轉軸上，步進(jìn)電機不停地來(lái)回轉動(dòng)，超聲波測距模塊也隨之轉動(dòng)。這樣用1個(gè)超聲波測距模塊就可實(shí)現多方位測距，從而減少了超聲波測距模塊的數量。

機器人主要由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤(pán)以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。軟件包括：嵌入式Linux操作系統、外設驅動(dòng)程序、Linux應用程序以及單片機應用程序等。系統沒(méi)有選用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊徑，選用一種獨特的嵌入式Linux發(fā)行版之一OpenWrt作為操作系統。OpenWrt提供了一個(gè)完全可寫(xiě)的文件系統及軟件包管理，它通過(guò)簡(jiǎn)單易用的方式，降低了嵌入式Linux開(kāi)發(fā)的門(mén)檻，提高了系統軟件開(kāi)發(fā)的效率。

嵌入式智能移動(dòng)機器人的工作流程為：傳感器模塊實(shí)時(shí)采集周?chē)h(huán)境信息，將此數據信息傳輸到機器人控制系統中，單片機通過(guò)數據分析獲取有效數據，從而獲知機器人與障礙物的相對位置，然后根據此位置信息產(chǎn)生控制信號;單片機產(chǎn)生PWM信號控制直流電機來(lái)控制機器人轉向，從而達到機器人自主“行走”的目的。下層的單片機與上層的ARM處理器通過(guò)串口來(lái)通信，ARM主板可將下層單片機控制板的工作數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)WiFi的方式傳輸到遠端的PC機。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現場(chǎng)圖片發(fā)給遠端的PC控制終端。

2 系統硬件設計

硬件系統主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤(pán)以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

由圖1可以看出，系統主要由以下模塊構成：圖像采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、超聲波測距模塊、紅外感應模塊、MINI2440、單片機STC89C52以及直流電機驅動(dòng)模塊等。下面重點(diǎn)介紹直流電機驅動(dòng)模塊。

直流電機驅動(dòng)模塊以L(fǎng)298N芯片為核心，該芯片具有帶載能力強的特點(diǎn)。直流電機驅動(dòng)電路如圖2所示。驅動(dòng)電路芯片的外圍電路主要是由二極管構成的電橋電路與2組電機并聯(lián)連接，以達到控制電機按照設定運轉的目的。

圖2 直流電機驅動(dòng)電路

移動(dòng)機器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖3所示。

圖3 H橋控制方案

電機共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅動(dòng)，而通過(guò)2路PWM輸出可控制一個(gè)電機，兩個(gè)電機以并聯(lián)方式連接。

當L298N芯片使能信號ENABLE為高時(shí)，輸出才隨輸入變化，否則為高阻態(tài)，所以焊接時(shí)，ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC.

具體驅動(dòng)過(guò)程為：通過(guò)編程由控制芯片經(jīng)PWM發(fā)出驅動(dòng)信號，PWM輸出作為L(cháng)298N的輸入，經(jīng)L298N轉換輸出控制信號使電機轉動(dòng)，從而實(shí)現電動(dòng)機的驅動(dòng)。

PWM輸出信號的高低則可以控制直流電機轉速。當占空比加大時(shí)，轉速升高;占空比減小時(shí)，轉速降低;當PWM信號輸出占空比為0時(shí)可控制電機的停止。

當左輪停止，右輪轉時(shí)，小車(chē)左轉;當右輪停止，左輪轉動(dòng)時(shí)，小車(chē)右轉。而2路PWM輸出的正負順序轉換則可控制電機的正反轉，進(jìn)而控制小車(chē)的前進(jìn)和后退。

3 系統軟件設計

軟件部分是移動(dòng)機器人的智能化的體現，它控制移動(dòng)機器人所有的運行狀態(tài)。

操作系統采用了OpenWrt操作系統，該系統簡(jiǎn)化了Linux內核的定制過(guò)程，而且允許開(kāi)發(fā)者使用軟件包的概念來(lái)定制嵌入式設備，從而簡(jiǎn)化了嵌入軟件開(kāi)發(fā)的流程。

程序在Kubuntu CodeBlock IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編寫(xiě)，用Openwrt編譯出來(lái)的ARM eabi交叉編譯工具編譯，再經(jīng)過(guò)終端SercurtCRT通過(guò)串行口向移動(dòng)終端燒入交叉編譯后的程序以及系統。

應用軟件控制小車(chē)的避障、攝像、發(fā)送視頻等行為。通信方面通過(guò)在主機端用vsftp軟件架設FTP服務(wù)器，并通過(guò)IEEE 802.11g(RTL8187)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡建立無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)。這樣，移動(dòng)終端就可以接收上位機的控制命令到達指定地點(diǎn)拍照并發(fā)送圖片，而PC機終端就可以接收通過(guò)WiFi傳送過(guò)來(lái)的圖片。

系統軟件結構如圖4所示。

圖4 系統軟件結構

系統驅動(dòng)程序利用MINI2440開(kāi)發(fā)板提供的例程進(jìn)行改寫(xiě)，并編譯進(jìn)內核。

攝像頭控制軟件mjpgstreamer由Openwrt以軟件包形式提供，通過(guò)端口8080輸出為MJPEG格式的圖像。無(wú)線(xiàn)通信部分內容為L(cháng)inux下socket編程，為客戶(hù)端提供遠程控制支持。無(wú)線(xiàn)通信的部分代碼如下：