解析ARM9和Linux在機器人控制系統的應用

引 言

現有智能機器人用直流電機作為驅動(dòng)輪時(shí)一般都是用單片機或者高速的DSP等進(jìn)行控制，智能機器人之所以叫智能機器人，這是因為它有相當發(fā)達的“大腦”。在腦中起作用的是中央計算機，這種計算機跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是，這樣的計算機可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作。正因為這樣，我們才說(shuō)這種機器人才是真正的機器人，盡管它們的外表可能有所不同。而且同一機器人往往需用多個(gè)CPU來(lái)實(shí)現各自的功能，但隨著(zhù)對機器人的智能化要求越來(lái)越高，需要一種新的控制器（使用一個(gè)處理器）來(lái)滿(mǎn)足機器人的各種行為要求，例如視頻采集、無(wú)線(xiàn)通信。本文介紹的利用ARM實(shí)現的智能機器人平臺，為智能機器人的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)新方法。Linux的引入使其他智能模塊都以設備的形式存在，只有在用戶(hù)需要的時(shí)候才調用相關(guān)設備驅動(dòng)從而使數據融合更方便，運行多任務(wù)也更穩定。

利用ARM和嵌人式Linux作為智能機器人平臺具有很大的優(yōu)勢，但在國內還未發(fā)現用該平臺開(kāi)發(fā)智能機器人的系統。本設計完成了對該系統驅動(dòng)的初步編寫(xiě)，并通過(guò)實(shí)際驗證，取得了良好效果。

1 驅動(dòng)電路及測速方法

1.1 總體結構及驅動(dòng)電路

系統的整體結構框圖如圖l所示。

本設計采用的LMD18200的真值表如表1所列。通過(guò)ARM的I/0口（例如D口的DO~3）來(lái)控制電機的工作狀態(tài)。

1.2 測速方法

ARM沒(méi)有捕獲外部脈沖的計數器，它的定時(shí)器是用來(lái)計算內部脈沖的。碼盤(pán)輸出信號接外部中斷處理程序（EINTl）并設置上沿觸發(fā)變量，在中斷中設置一全局變量i,用i++累加。設置定時(shí)器timer0,使它O.36 s產(chǎn)生1次內部定時(shí)器中斷。當一個(gè)定時(shí)器周期完成時(shí)引發(fā)定時(shí)器中斷，在timer0中斷中讀出i的值，即得到O.36 s內碼盤(pán)轉動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數；接著(zhù)將i清零，為下一個(gè)定時(shí)器周期捕獲脈沖作準備。

1.3 測量精度分析

智能機器人選用的光碼盤(pán)精度為256線(xiàn)，即256脈沖/轉。電機減速比為1:71,車(chē)輪半徑R為6 CM,車(chē)輪間距為41.1 cm.車(chē)輪轉一圈所產(chǎn)生的脈沖數n=71×256=18 176,可以得到每個(gè)脈沖之間的距離d=27πR/n=2×3.14×0.06/18 176=0.207×10-4m,即每個(gè)脈沖對應的控制精度達0.02 mm.考慮到負載變化的影響，理論值與實(shí)際值會(huì )出現誤差，因此在控制精度d前乘以一個(gè)修正系數k.表2為機器人直線(xiàn)行走的實(shí)驗數據?？梢钥闯?，k為1.10誤差較小，最接近真實(shí)值，因此該值就是所需的比例系數。

2 速度調節

一般的PID調節，PID調節是工業(yè)控制中應用最廣泛的一種調節方式，在各種自控書(shū)籍及資料中，也經(jīng)?？吹絇ID這個(gè)字眼，那么什么是PID調節呢，PID是英文單詞比例（ProportiON），積分（Integral），微分（Differential coefficient）的縮寫(xiě)。PID調節實(shí)際上是由比例、積分、微分三種調節方式組成，它們各自的作用如下：比例調節作用：是按比例反應系統的偏差，系統一旦出現了偏差，比例調節立即產(chǎn)生調節作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。當偏差E較大時(shí)（如啟動(dòng)或大幅度提速時(shí)），由于積分的作用會(huì )產(chǎn)生很大的超調量，使系統振蕩，因此選用積分分離的方法，開(kāi)始時(shí)取消積分作用，直到被調量相差不多時(shí)才引入積分作用。具體步驟如下：

①設定一個(gè)值a>0,E（m）一R（m）一M（m），其中R（m）為給定值，M（m）為測量值；

②當E（m）≥a時(shí)，采用PD控制，可以避免過(guò)大的超調，又可以使系統有較快的響應；

③當E（m）≤n,即偏差值E（m）比較小時(shí)，采用PID控制，可以保證系統的精度。

使用積分分離方法后顯著(zhù)降低了被控變量的超調量并縮短了過(guò)渡時(shí)間，使調節性能得到改善。

3 驅動(dòng)設計

本系統的驅動(dòng)設計如圖2、圖3、圖4所示。

設備驅動(dòng)程序是操作系統內核與機器硬件之間的接口。它作為應用和實(shí)際設備之間的軟件層，為應用程序屏蔽了硬件的細節。對于應用程序，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據，讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據，檢測和處理設備出現的錯誤。用到的結構如下：

設備打開(kāi)的時(shí)候就會(huì )調用dcmotor__open函數進(jìn)行申請中斷號。帶內存管理的單元的地址映射，設置B端口的2、3引腳為PWM輸出，端口D配置為電機使能剎車(chē)制動(dòng)引腳。

以下所有的函數都是在ioctl（）中實(shí)現的。在Dcmo-tor_STart里調用timer0_2_3_start（），設置timer0為接收兩路電機的碼盤(pán)信號，并檢測電機速度；timer2、timer3提供2路PWM輸出，并設置定時(shí)器自動(dòng)重載。具體實(shí)現如下：

Select_Speed可以動(dòng)態(tài)選擇要運行的速度。它是用戶(hù)的接口，用戶(hù)可以調用該函數把速度值傳到驅動(dòng)從而控制電機。例如，在應用程序中執行ioctl（fdl,

timer0中斷是核心程序，它可根據PID的調節值來(lái)改變占空比。為了便于隨時(shí)改變占空比的值可定義兩個(gè)全局變量tmp2、tmp3,通過(guò)把它們的值寫(xiě)入TCMPB來(lái)改變占空比。

在A(yíng)ll_Forward、All_Back、All_Stop中，通過(guò)設置端口DO~3的高低電平，實(shí)現前進(jìn)、后退、停止；在Left_Curve、Right_Curve中，設置左右輪的旋轉方向，使兩輪旋轉方向不同，再根據差速在應用程序中給定預定時(shí)間，以達到轉彎效果。

4 結 論

利用ARM和Linux操作系統實(shí)現智能機器人的閉環(huán)控制是可行的，閉環(huán)控制是控制論的一個(gè)基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制論中，閉環(huán)通常指輸出端通過(guò)旁鏈方式回饋到輸入，所謂閉環(huán)控制。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環(huán)控制的目的，這種目的是通過(guò)反饋來(lái)實(shí)現的。而且可以充分利用ARM的強大功能實(shí)現其他智能模塊的擴展。