基于激光雷達避障的機器人控制系統設計
加入技術(shù)交流群
移動(dòng)機器人是一種能夠感知外部環(huán)境，在有障礙物的環(huán)境中能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)決策與規劃，從而完成避障等多種功能的綜合系統。機器人系統通常分為機構本體和控制系統兩部分，控制系統的作用是根據用戶(hù)的指令對機構本體進(jìn)行操作和控制。隨著(zhù)機器人的智能化水平越來(lái)越高，控制器要有方便、靈活的操作方式，以及多種形式的控制方式和高度可靠性，還要有很高的實(shí)時(shí)性。
為了保證系統的實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化控制系統軟件的設計，有必要在控制系統引入嵌入式操作系統。本設計將嵌入式技術(shù)與機器人技術(shù)相結合，利用ARM作為硬件平臺并移人μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，開(kāi)發(fā)了具有多線(xiàn)程、多任務(wù)管理的控制終端。嵌入式主控制器ARM是整個(gè)機器人控制系統的核心，主要完成環(huán)境感知、組織管理、總體任務(wù)分配。嵌入式主控器作為機器人的運算層，一方面作為控制上位機，可以通過(guò)串口與下位機伺服控制系統通信，從而完成機器人的運動(dòng)控制；另一方面還提供了與遙控操作端或用戶(hù)端的無(wú)線(xiàn)通信接口。本文設計的機器人控制系統可應用于日常生活、足球機器人以及其他科學(xué)探索領(lǐng)域。
1 系統組織架構與硬件設計
設計時(shí)考慮到機器人在體積、質(zhì)量等方面的限制，以及要滿(mǎn)足功耗低，實(shí)時(shí)性高，性能優(yōu)越的特點(diǎn)，選擇合適的軟硬件結構及有效的控制模式是整個(gè)設計過(guò)程的關(guān)鍵。
1．1 系統總體架構
整個(gè)機器人控制系統由嵌入式主控制器、伺服控制模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和傳感檢測模塊組成?？刂葡到y的總體架構如圖1所示。
按功能劃分，該控制系統分為上下兩層。由實(shí)現任務(wù)管理、運動(dòng)軌跡生成、定位的上層控制系統，以及完成機器人伺服控制、傳感器信息采集的下層控制系統組成。上層控制系統是整個(gè)控制系統的核心控制層，它有兩種控制實(shí)現方式：一種是獨立運行模式，另一種是遙控或遠程實(shí)時(shí)控制模式。獨立運行模式有自己的運行參數，即上層控制系統根據激光雷達的信息傳遞到環(huán)境建模模塊，產(chǎn)生環(huán)境地圖并產(chǎn)生避障算法所需信息，控制器根據避障模塊信息產(chǎn)生機器人本體速度和方向信息，傳遞到運動(dòng)控制器。在運動(dòng)控制底層程序定義了一系列程序，運動(dòng)控制器通過(guò)解釋上層控制系統傳遞過(guò)來(lái)的信息并執行相應程序，從而達到機器人控制的目的，實(shí)現實(shí)時(shí)避障。遙控器或遠程實(shí)時(shí)控制模式是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信單元接收用戶(hù)端或遙控端發(fā)出的命令，實(shí)現對機器人的實(shí)時(shí)控制。系統的控制實(shí)現方式如圖2所示。
1．2 主控制模塊
主控制模塊采用SAMSUNG公司16／32位RISC處理器S3C4480作為控制器。S3C4480功耗低，有多種電源供電方式，有多種外部存儲器訪(fǎng)問(wèn)，新的總線(xiàn)體系結構(SAMBA)，速度可達132 MHz。主控模塊使用Hynix公司的HY57V281620(SDRAM)以及SAM-SUNG公司的Nand-Flash芯片K9F2808U作為存儲器。為了增大數據吞吐能力，選取了2片SDRAM構成32位地址寬度。S3C4480使用ARM7TDMI核，它滿(mǎn)足μC／OS-Ⅱ正常運行的所有條件，設計時(shí)S3C4480移入μC／OS-Ⅱ操作系統，將加快處理器的應用和開(kāi)發(fā)，而且還能提高系統的實(shí)時(shí)性。通過(guò)將系統的功能劃分成按不同優(yōu)先級調度的任務(wù)，實(shí)現對機器人的多任務(wù)控制，主控制模塊中的路徑規劃任務(wù)采用柵格法。
1．3 激光雷達測距模塊
激光雷達是一種工作在從紅外線(xiàn)到紫外光譜段的雷達系統，相對于超聲波、紅外、攝像頭等其他傳感測距方法，激光雷達具有探測距離遠，測量精度高，價(jià)格相對適中等優(yōu)點(diǎn)。在本設計中使用德國施克公司的LMS291激光測量系統，基于飛行時(shí)間測量原理，180°掃描角度，可以設置三個(gè)保護區域，具有濾波功能，以消除障礙檢測過(guò)程中激光雷達的測距噪聲干擾。
LMS291激光雷達通過(guò)旋轉鏡面向各個(gè)方向發(fā)射脈沖激光，并由LMS291接收器接收反射光線(xiàn)。該激光雷達響應時(shí)間可固定為13 ms，發(fā)射角為幾mrad的激光脈沖，通過(guò)測量發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時(shí)間延遲，并乘以光速，就可以測得障礙物的距離。時(shí)間測量通過(guò)圖3所示的脈沖填充法求出。
如果計數值為N，則t=N△T=N／f，從而可得L=ct／2=cN／(2f)，其中，f為時(shí)鐘脈沖。
LMS291激光測量系統提供RS 232數據接口，本設計主控制器采用的是S3C44B0，由于它的LVTTL電路所定義的高、低電平信號為正邏輯，而RS 232標準采用負邏輯方式，兩者間通信要進(jìn)行電平轉換，在設計時(shí)系統采用RS 232電平轉換芯片MAX232ACPE實(shí)現串口的通信。
評論