智能輪式移動(dòng)機器人嵌入式控制系統設計

引言

智能移動(dòng)機器人集成了機械、電子、計算機、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的研究成果，在當前機器人研究領(lǐng)域具有突出地位。控制系統是機器人的核心部分，目前應用在機器人底層控制系統的微控制器主要有8／16位單片機和數字信號處理器(DSP)兩種類(lèi)型。但使用8／16位單片機處理數據能力低，且硬件電路龐大，系統穩定性弱，DSP的設計初衷是為了數字信號處理，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(lái)機器人的網(wǎng)絡(luò )控制。綜合考慮以上因素，這里提出了一種基于A(yíng)RM和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的智能輪式移動(dòng)機器人控制系統，實(shí)現移動(dòng)機器人的底層控制。

　　2系統組成及工作原理

　　該系統設計的輪式移動(dòng)機器人機械導航結構采用四輪差速轉向式的機械機構，前面兩個(gè)輪是隨動(dòng)輪，起支撐作用，后面兩個(gè)輪是驅動(dòng)輪，由兩臺同步電機驅動(dòng)，分別控制兩個(gè)驅動(dòng)輪的轉速，可使機器人按照不同方向和速度移動(dòng)，運動(dòng)靈活，可控性好。

　　移動(dòng)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(jìn)行分析，建立環(huán)境地圖，進(jìn)行路徑規劃。上位機發(fā)送運動(dòng)控制指令給移動(dòng)機器人的底層控制系統，提供左右驅動(dòng)電機的理論速度值。以ARM和CPLD為核心的機器人控制系統與上位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現通訊，根據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；并根據障礙物信息，做出避障決策。智能移動(dòng)機器人的控制系統結構框圖如圖1所示。

　　3控制系統硬件設計

　　3.1主控模塊設計

　　該智能輪式移動(dòng)機器人控制系統的核心控制器采用Samsung公司的S3C44B0X，它是基于A(yíng)RM7TDMI核(適用于實(shí)時(shí)環(huán)境)的32位微處理器，具有高速運算能力、A／D轉換器、豐富的I／O端口和中斷，有利于實(shí)現移動(dòng)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。該系統設計充分利用了CPLD的高速邏輯處理能力，主控制器ARM只需設定控制參數，這樣就減輕主控制器的負擔，提高系統的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也減少了外圍硬件電路，提高控制系統的穩定性和可重構性。

　　ARM與CPLD通過(guò)并行總線(xiàn)連接，該并行總線(xiàn)包括ARM器件的地址、數據、控制和多路可編程I／O總線(xiàn)。ARM通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)特定地址和I／O端口來(lái)控制CPLD，CPLD則通過(guò)可編程I／O端口向ARM發(fā)送中斷請求。

　　3.2電機控制和驅動(dòng)模塊的設計

　　輪式移動(dòng)機器人的兩個(gè)驅動(dòng)輪速度分別由兩臺驅動(dòng)電機控制，實(shí)現機器人不同方向和速度的運動(dòng)。輪式移動(dòng)機器人的性能要求電機轉矩大，脈動(dòng)小。在高、中、低速下驅動(dòng)電機均有良好的性能，且控制方式簡(jiǎn)單，因此驅動(dòng)電機選用方波驅動(dòng)的交流永磁同步電機。這種電機根據轉子位置反饋信息采用電子換相運行，電機轉速與驅動(dòng)信號的頻率成正比，既具備交流電機結構簡(jiǎn)單，運行可靠，維護方便等優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電機動(dòng)態(tài)特性好，調速性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。

　　系統通過(guò)CPLD和外部驅動(dòng)器件構成控制電路，采用方波驅動(dòng)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，獲得可調的精確速度和位置控制，結構緊湊。兩路電機控制原理相同，這里只介紹一路。