LPC2106在足球機器人控制中的應用設計

　　摘要：足球機器人融合了計算機視覺(jué)、模式識別、決策對策、自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)通信、多智能體合作等多項技術(shù)，具有極高的研究?jì)r(jià)值。本文設計了基于ARM7微處理器的集中視覺(jué)足球機器人底層控制系統，簡(jiǎn)化了系統設計，滿(mǎn)足微型機器人的控制需要。同時(shí)，也有利于足球機器人自主化的轉型和發(fā)展。

    關(guān)鍵詞：足球機器人 嵌入式系統 LPC2106 ARM7 PTR2000

　　以應用為中心的嵌入式系統，已經(jīng)深入到生活的各個(gè)方面。相對于其它領(lǐng)域，智能機器人系統可以說(shuō)是嵌入式系統應用最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。本文對嵌入式系統在足夠機器人底層控制系統中的應用進(jìn)行研究和設計。

1 足球機器人系統

　　足球機器人是計算機視覺(jué)、模式識別、決策對策、自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)通信、智能體設計與電力傳動(dòng)、多智能體合作等多項技術(shù)的結合體，是一個(gè)典型的智能機器人系統。足球機器人比賽集高科技、娛樂(lè )、競技于一體，雖歷時(shí)不長(cháng)，但已經(jīng)成為國際上廣泛開(kāi)展的高技術(shù)對抗活動(dòng)，引起社會(huì )廣泛的關(guān)注。研究與開(kāi)發(fā)足球機器人系統，參加機器人足球賽是研究智能機器人，跟蹤國際高科技理論技術(shù)的理想切入點(diǎn)，同時(shí)也是嵌入式計算機系統理論聯(lián)系實(shí)際的極富生命力的成長(cháng)點(diǎn)。

　　從國內外的比賽情況來(lái)看，目前主要是集中視覺(jué)的足球機器人比賽。如圖1所示，在整個(gè)比賽中，視覺(jué)系統通過(guò)CCD攝像頭和圖像采集卡對場(chǎng)上情景進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，把辨識結果送給決策系統，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器向車(chē)體系統發(fā)出一系列控制命令。機器人根據主機命令做出反應，在場(chǎng)上運動(dòng)，同時(shí)能通過(guò)譯碼器進(jìn)行位置控制以及基于傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障和簡(jiǎn)單識別環(huán)境。

　　通常足球機器人系統可以劃分為機器人（車(chē)體）子系統、通信子系統、視覺(jué)子系統和決策子系統四個(gè)部分，通過(guò)計算機視覺(jué)子系統閉環(huán)而構成智能決策和控制系統（如圖2）。從圖2中可以看到，足球機器人車(chē)體是整個(gè)系統的執行機構，它直接體現了整個(gè)系統的性能。小車(chē)的性能主要由車(chē)體性能與車(chē)載嵌入式控制系統——微型足球機器人底層控制系統決定。當小車(chē)車(chē)體具有了良好的運動(dòng)性能后，小車(chē)的性能就由車(chē)載嵌入式系統決定了。因此構建一個(gè)快速、安全、可靠的實(shí)時(shí)嵌入式系統是整個(gè)系統的關(guān)鍵。

2 系統設計和實(shí)現

2.1 系統任務(wù)

　　通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統接受決策子系統傳來(lái)的控制指令；根據運動(dòng)指令控制小車(chē)左右輪轉速；通過(guò)傳感器判斷場(chǎng)上環(huán)境信息，輔助機器人定位及運動(dòng)。

2.2 微處理器選型

　　傳統的微處理器如51、96系列應用于機器人系統，雖然開(kāi)發(fā)周期短，成本低，但其實(shí)時(shí)性不好，復雜的控制算法難以實(shí)現；另外，增加的外圍電路數據轉換速度慢，使機器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速DSP的出現雖然使得系統模塊化和全數字化，但其開(kāi)發(fā)套件成本高。與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將ARM應用于機器人控制系統不失為一種好的策略。

　　LPC2106是飛利浦帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，嵌入128KB高速Flash存儲器。采用3級流水線(xiàn)技術(shù)，取指、譯碼和執行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為主要要求的應用。多個(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出和32個(gè)GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機器人系統。本文就是以LPC2106為核心，設計結構簡(jiǎn)單、性能穩定的足球機器人車(chē)體系統。

2.3 車(chē)體系統設計

　　采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機作為驅動(dòng)電路。LPC2106產(chǎn)生的PWM波經(jīng)專(zhuān)門(mén)的集成電路雙H橋驅動(dòng)器L298放大，驅動(dòng)左右輪電機。編碼器輸出兩路具有90度相位差的脈沖，經(jīng)正交脈沖解碼，為CPU提供反饋的計數值和轉動(dòng)方向。LPC2106透過(guò)無(wú)線(xiàn)接收模塊接收主機命令，并融合外傳感器電路反饋的環(huán)境變量進(jìn)行電機的PID閉環(huán)控制。CPU保留JTAG在線(xiàn)調試接口，方便程序的編寫(xiě)、下載和升級。系統硬件組成原理圖如圖3所示。

（1）電機與驅動(dòng)電路

　　微型直流電機以其良好的線(xiàn)性特性、優(yōu)異的控制性能和非常高的效率廣泛的應用于小功率系統中。為了控制直流電動(dòng)機，采用定頻脈寬調制（PWM）控制。這里，由于LPC2106本身就帶有6個(gè)PWM輸出口，直接輸出控制信號即可，無(wú)須另加電路。不過(guò)，其輸出的PWM波功率有限，須由驅動(dòng)電路放大后才能驅動(dòng)電機。

    考慮到電壓、電流的等級尺寸、外觀(guān)等因素，采用了L298來(lái)代替三級管所構成的驅動(dòng)電路。L298驅動(dòng)電路如圖4所示。

　　L298是恒壓恒流雙H橋集成電機芯片，可同時(shí)控制兩個(gè)電機，且輸出電流可達到2A。L298的EN A（第6引腳）、EN B（第11引腳）分別與LPC2106的PWM4和PWM6相連，作為調制信號。SENSE A，SENSE B為電流反饋引腳。電機控制方向引腳如表1所列。

　　表1 L298控制引腳使能邏輯關(guān)系

　　Vss電壓最小為4.5V，最大可達36V；Vs電壓最大值也是36V。但經(jīng)過(guò)實(shí)驗，Vs電壓應該比Vss電壓高，否則有時(shí)會(huì )出現失控現象。

（2）無(wú)線(xiàn)接收模塊

　　小車(chē)通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收模塊接收主機發(fā)出的命令進(jìn)行運動(dòng)，通信的高速性、穩定性和準確性至關(guān)重要，它將直接影響整個(gè)系統的采樣周期。采用PTR2000模塊作為控制核心，它的顯著(zhù)特別是所需要外圍元件少，設計非常的方便。傳統的無(wú)線(xiàn)通信電路方案不是電路復雜就是調試困難，PTR2000是一款基于nRF401芯片的無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)模塊，最高通信速率為20Kb/s，工作距離為10m內。采用抗干擾能力較強的FSK調制/解調方式，其工作頻率穩定可靠，功耗極低且靈敏度極高，非常適合小型化的設計且其頻率433.92MHz與434.33MHz可選，很好地滿(mǎn)足了比賽的要求。

　　圖5給出了PTR2000與LPC2106的接口電路圖。其中，DO、DIIV與分別LPC2106的TXD0（13引腳）和RXD0（14引腳）相連，作為串行通信的通道。CS為PTR2000模塊的頻率選擇信號，PWR為模塊節能引腳，正常工作為高電平。TXEN是模塊發(fā)射接收控制，由LPC2106的I/O口控制。PRT2000是收發(fā)一體的集成芯片，采用3.3V供電，可以與LPC2106進(jìn)行無(wú)縫連接。PRT2000作為發(fā)射端與PC機相連時(shí)，需要通過(guò)一個(gè)電平轉換器（這里用MAX3232）轉換成RS-232電平。

　　主機采用廣播式通信方式，依次發(fā)送13個(gè)字節，如圖6所示，足球機器人根據ID指針去響應相應的字節，并校驗啟動(dòng)位及自身ID校驗字節，進(jìn)行取舍。

（3）傳感器模塊

　　場(chǎng)上形勢瞬息萬(wàn)變，單純依靠視覺(jué)系統，經(jīng)常出現空跑、頂?；驇騺G失等情況。為了穩定帶球以及避免碰撞，有必要增加相應的傳感器來(lái)識別場(chǎng)上的物體，實(shí)現避障與帶球功能。

（4）電源模塊

　　系統用同一電源給IC和電機供電，電池采用8.4V的可充電鋰電池。除直接給電機供電外，還需分出5V給外圍設備供電，由于LPC2106是雙電源供電，CPU內核為1.8V，I/O口需要3.3V，所以電流電壓經(jīng)7805轉換成5V電壓，由線(xiàn)性穩壓器TPS76818QD與TPS75733KTT分別提供1.8V和3.3V電壓。同時(shí)采用專(zhuān)門(mén)的電源監控芯片MAX708S，提高了系統的可靠性。

2.4 程序設計

　　程序主要由初始化程序、串行通信程序，可調整PWM波輸出程序、I/O口控制程序組成。主函數是一個(gè)響應中斷的循環(huán)結構，如圖7所示。

　　ARM7是一個(gè)支持多個(gè)操作系統移植的芯片。使用合適的實(shí)時(shí)操作系統（例如μCLinux等）來(lái)代替循環(huán)等待結構的主程序，使程序設計的任務(wù)大大簡(jiǎn)化，方便了系統任務(wù)的擴充，有利于系統的升級和轉型。從系統移植的角度看，ARM比傳統的51、96系列，甚至DSP單片機都具有明顯的優(yōu)越性。

3 結論

　　本文研究和設計一個(gè)基于A(yíng)RM7微處理器的車(chē)載嵌入式系統，不僅滿(mǎn)足了微型足球機器人控制系統的要求，同時(shí)，也為機器人的轉型應用提供了良好的技術(shù)支持。