基于A(yíng)RM的嵌入式服務(wù)機器人控制器的研究

1 引言
隨著(zhù)人口老齡化進(jìn)程的加快，更多老年人，尤其是地震和疾病致殘的殘疾人，都需要照顧?；诖?，這里提出一種基于ARM的嵌入式服務(wù)機器人控制系統設計。該服務(wù)機器人的控制系統是機器人的神經(jīng)中樞，因而其設計是機器人研究的核心。該控制系統通常以MCU、 DSP等為核心，采用上、下位機二級分布式結構。其中上位機一般為PC機，下位機為單片機或DSP等微控制器。但隨著(zhù)移動(dòng)機器人的智能化，控制方法的發(fā)展，所需計算量增大，一般的單片機等處理器很難完成控制要求。而基于ARM的嵌入式服務(wù)機器人的控制器采用分層與模塊化結構，充分體現可擴展性、可移植性的設計原則．同時(shí)具有低成本、低功耗、體積小巧、可靠性高、智能化高以及通用性等特點(diǎn)。

2 系統整體結構設計
圖1為嵌入式控制系統的軟硬件層次結構。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟、硬件可剪裁，適用于應用系統，對功能、可靠性、成本、體積，功耗要求嚴格的專(zhuān)用計算機系統。嵌入式系統總體可劃分為硬件和軟件兩部分。硬件由微處理器和外圍的接口電路組成，同時(shí)還包括傳感器及驅動(dòng)器接口和被控對象(機械裝置)；而軟件一般由實(shí)時(shí)操作系統及其運行的應用軟件構成。其應用軟件的功能層由基于RTOS的應用程序組成，用來(lái)控制被控對象。[next]

3 系統硬件設計
服務(wù)機器人控制系統的硬件平臺設計至關(guān)重要。首先它是用戶(hù)控制邏輯的具體執行者，服務(wù)機器人的各種控制功能必須通過(guò)硬件實(shí)現；其次它也是實(shí)時(shí)控制系統軟件移植和運行的硬件環(huán)境。這里采用部件模塊化，接口標準化，互換性、擴展性好，可靠性高的硬件設計原則。
服務(wù)機器人控制系統主要用于實(shí)現控制服務(wù)機器人的導航、啟動(dòng)、停車(chē)、運行控制、路徑規劃、安全監控、遠程控制計算機通訊及語(yǔ)音識別等功能。該控制系統主要由主控、導引、驅動(dòng)、通訊、安全與輔助、語(yǔ)音識別、液晶觸摸屏以及電源管理等單元組成。圖2為其功能結構框圖。

嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統的核心元件，其性能好壞直接決定整個(gè)系統的運行效果，所提供功能的強弱直接決定嵌入式應用的適應范圍和開(kāi)發(fā)復雜度。嵌入式處理器一般具備以下特點(diǎn)：支持實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統；具有強存儲區保護功能；處理器結構可擴展；功耗低。圖3為基于ARM9的嵌入式系統的服務(wù)機器從主控制器模塊結構。

選用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務(wù)機器人的控制CPU，在嵌入式系統μC／OS-II下實(shí)現機器人控制。S3C2410處理器采用 ARM920T內核，5級流水線(xiàn)指令結構，片內鎖相環(huán)，內部時(shí)鐘可達200 MHz，因此可用來(lái)進(jìn)行復雜控制算法，提高控制精度。S3C2410有117個(gè)I／O口和24個(gè)外部中斷源，內部具有豐富的接口控制器，如：USB控制器、DMA控制器、UART控制器、I2C控制器等，這樣可簡(jiǎn)化外圍電路，同時(shí)其內部時(shí)鐘可達200 MHz，高性能指令集及可與C語(yǔ)言交叉匯編使其能完成復雜運算，提高服務(wù)機器人控制的實(shí)時(shí)性。
ARM處理器模塊通過(guò)兩個(gè)RS-232串口分別與傳感器模塊、伺服控制模塊連接，RS-232串口均丁作在中斷模式下，以保證系統的實(shí)時(shí)性。伺服控制模塊與傳感器模塊均基于TI公司的TMS320LF2407型DSP，伺服模塊可同時(shí)控制4路直流伺服電機，傳感器模塊可接24路超聲傳感器和24路紅外傳感器，模塊在設計時(shí)充分考慮到降低成本和功耗，同時(shí)注重其實(shí)時(shí)性和可靠性。

[next]

4 系統軟件設計
軟件設計的基本原則是：軟件結構化、驅動(dòng)標準化、系統可定制。服務(wù)機器人的控制器關(guān)鍵要保證系統的實(shí)時(shí)性。采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統，其具有結構簡(jiǎn)單、容易移植、源代碼公開(kāi)等優(yōu)點(diǎn)。使用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統開(kāi)發(fā)服務(wù)機器人控制軟件就是將整個(gè)控制軟件的功能劃分為若干任務(wù)，分別加以實(shí)現，并以任務(wù)問(wèn)通信方式實(shí)現各個(gè)任務(wù)間的邏輯關(guān)系。整個(gè)軟件控制體系結構如圖5所示。

5 實(shí)驗研究
在搭建機器人軟硬件平臺及編寫(xiě)與硬件相關(guān)的底層函數后，在該實(shí)時(shí)內核上編寫(xiě)接口驅動(dòng)程序及機器人應用程序。通過(guò)軟硬件整體測試后，將該機器人控制器安裝在智能輪椅上進(jìn)行實(shí)驗。在實(shí)驗過(guò)程中。智能輪椅移動(dòng)穩定，轉向靈活，變速平穩；能及時(shí)識別并躲避障礙物；機器人視頻傳輸畫(huà)面流暢；語(yǔ)音人機交互功能，由麥克風(fēng)將聲音傳給語(yǔ)音處理器，通過(guò)硬件處理識別語(yǔ)音信號，然后再經(jīng)南喇叭播放機器人的對答聲音。實(shí)現人機對話(huà)。同時(shí)該服務(wù)機器人控制系統結構簡(jiǎn)單，電路體積小，有利于安裝與維護。

6 結束語(yǔ)
服務(wù)機器人控制系統是機器人的神經(jīng)中樞，決定著(zhù)機器人能否按照用戶(hù)要求順利地完成相應工作任務(wù)?；?ARM和嵌入式μC／OS-Ⅱ的服務(wù)機器人控制系統可廣泛應用于服務(wù)型機器人。這必將開(kāi)發(fā)出低成本、低功耗、體積小巧、實(shí)時(shí)性強、可靠性高、接口豐富、維護方便、智能化程度高的機器人，也將促進(jìn)機器人運用的普及和推廣，從而推進(jìn)我國機器人行業(yè)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。