基于A(yíng)RM9和Linux的機器人控制系統設計
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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，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。平臺采用的ARM9是基于三星公司的S3C2410處理器，主頻高達200 MHz，支持藍牙、觸摸屏以及USBHOST接口，可以傳輸高速圖像。嵌入式Linux系統是一個(gè)多用戶(hù)操作系統，它允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)系統而不會(huì )造成用戶(hù)之間的相互干擾。另外，Linux系統還支持真正的多用戶(hù)編程，一個(gè)用戶(hù)可以創(chuàng )建多個(gè)進(jìn)程，并使各個(gè)進(jìn)程協(xié)同工作來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。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。此時(shí)timer0自動(dòng)重載，下一次碼盤(pán)計數開(kāi)始。
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?？紤]到負載變化(例如負載變化車(chē)輪變形等機械誤差)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，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。設備驅動(dòng)程序是Linux內核的一部分，它實(shí)現以下的功能：對設備初始化和釋放，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，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。
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