移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程勇

摘 要：智能移動(dòng)機(jī)器人的研究分屬機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域，橫跨計(jì)算機(jī)、電子等多學(xué)科。近年來，出現(xiàn)了許多有關(guān)對移動(dòng)機(jī)器人的研究，已經(jīng)涉及到物料傳輸，極度環(huán)境下的自助作業(yè)等涉及到移動(dòng)機(jī)器人的行業(yè)和領(lǐng)域。本文主要就移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法加以分析，然后對超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及移動(dòng)機(jī)器人底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞：智能移動(dòng)；機(jī)器人平臺(tái)；導(dǎo)航技術(shù)

移動(dòng)智能機(jī)器人的研究方向主要包括在視覺、超聲、紅外等傳感器的基礎(chǔ)上，盡量建立富含動(dòng)態(tài)環(huán)境模型的多傳感器融合策略。但是對于移動(dòng)智能機(jī)器人的研究確實(shí)需要完整開放性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此對于能夠服務(wù)工作與生活領(lǐng)域的移動(dòng)智能機(jī)器人的研究具有較高的研究價(jià)值。

1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法分析

1.1移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)分析

早期的移動(dòng)機(jī)器人由于自主能力較差，往往采用單CPU或者二級(jí)CPU主從控制結(jié)構(gòu)。

1.1.1單CPU集中控制結(jié)構(gòu)

所謂單CPU集中控制結(jié)構(gòu)即是指用一臺(tái)功能全面且較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)全部的控制功能。但不容置否的是由于多種運(yùn)算只依靠一個(gè)計(jì)算機(jī)來控制，控制過程中涉及許多計(jì)算公式，所以說單CPU集中控制的結(jié)構(gòu)速度還是比較慢的。

1.1.2二級(jí)CPU結(jié)構(gòu)，主從式控制結(jié)構(gòu)

這種方法通過把一級(jí)CPU作為主機(jī)來擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)管理的接口功能，與此同時(shí)把一級(jí)CPU的公用內(nèi)存來作為二級(jí)CPU讀取，這樣一來就可以全部所有的關(guān)鍵位置的數(shù)字控制功能。但是這兩個(gè)CPU總線之間是沒有直接關(guān)系的，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中僅通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。

隨著人們對機(jī)器人技術(shù)的深入研究，機(jī)器人的智能性要求也越來越高。20世紀(jì)80年代智能控制領(lǐng)域著名學(xué)者Saridis提出三層分層式體系結(jié)構(gòu)。分層式體系結(jié)構(gòu)是一種以認(rèn)知系統(tǒng)為基礎(chǔ)的人工智能模型，能夠提供一種良好智能系統(tǒng)的控制方式和結(jié)構(gòu)，按照此體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的上下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人具有較高的智能性。國外以CMU的NavLab系統(tǒng)和Rover系統(tǒng)為典型代表。博創(chuàng)公司生產(chǎn)的UP-VOYAGERII為國內(nèi)此類移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的典型代表。在此體系結(jié)構(gòu)下，從信息流上看是串聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)的控制行為都必須通過感知、規(guī)劃、執(zhí)行等模塊。導(dǎo)致控制行為的延遲和較差的實(shí)時(shí)性。而機(jī)器人在實(shí)際工作環(huán)境有可能是動(dòng)態(tài)，復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)化的，要求較高的實(shí)時(shí)性。當(dāng)機(jī)器人遇到突發(fā)障礙物時(shí)，可能造成避障失敗。

1.2移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析

為了使系統(tǒng)具有開放性，易于修改、重構(gòu)和添加，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)。共包括三大模塊，各模塊之間通過CAN總線進(jìn)行通訊。由于CAN總線只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，并未規(guī)定應(yīng)用層協(xié)議，為了使得平臺(tái)具有更好的開放性，采用國際標(biāo)準(zhǔn)SDS應(yīng)用層協(xié)議，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明SDS協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)基于混合式體系結(jié)構(gòu)的思想。

超聲測距模塊：8個(gè)超聲波傳感器組成1800探測范圍的超聲波環(huán)，由8位單片機(jī)AT89s52控制超聲波的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)障礙物信息的采集。超聲波環(huán)的探測范圍為2cm～3m，能夠?qū)崿F(xiàn)近距離障礙物的探測。

電機(jī)控制模塊：用基于ARM7內(nèi)核的32位單片機(jī)LPC2292作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的閉環(huán)控制。能直接從超聲測距模塊讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基于行為體系結(jié)構(gòu)的反應(yīng)式避障。接受規(guī)劃層的命令實(shí)現(xiàn)基于分層式體系結(jié)構(gòu)智能行為。

筆記本：完成移動(dòng)機(jī)器人視覺定位，地圖建立，路徑規(guī)劃等高級(jí)智能行為。

2超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及移動(dòng)機(jī)器人底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CAN控制器和單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)由專用的復(fù)位芯片MAX708SESA提供。該芯片提供低電平復(fù)位和高電平復(fù)位兩種復(fù)位信號(hào)。低電平復(fù)位用于單片機(jī)和8155復(fù)位。高電平復(fù)位用于CAN控制器復(fù)位。8155只作為IO口擴(kuò)展用，端子IO/M接VCC。超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為2～5us脈沖，這里通過單片機(jī)的IO口P1口來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。8個(gè)超聲波傳感器采用分組循環(huán)發(fā)射的方式啟動(dòng)超聲波，一次同時(shí)驅(qū)動(dòng)四個(gè)超聲波傳感器。如果分別采集四路回波信號(hào)，實(shí)時(shí)性難以保證。本系統(tǒng)通過或門電路將四路回波信號(hào)整合成一路回波信號(hào)，通過外部中斷0通知CPU。外部中斷采用電平觸發(fā)方式。傳感器系統(tǒng)的程序包括兩部分，一是驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，并獲得相應(yīng)的障礙物距離信息。二是通過CAN總線與其它模塊進(jìn)行通信。

2.2移動(dòng)機(jī)器人底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。ARM本身是32位處理器，集成了16位的Thumb指令集。這使得ARM可以代替16位的處理器如96系列單片機(jī)使用，同時(shí)具有32位處理器速度。ARM嵌入式系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)。用單片機(jī)和DSP實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，采用ARM處理器同樣也可以實(shí)現(xiàn)。本文嘗試用菲利普公司生產(chǎn)的基于ARM7內(nèi)核的LPC2292芯片為底層控制系統(tǒng)的核心芯片。設(shè)計(jì)一種基于ARM車載嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案，底層控制系統(tǒng)需要具備讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基于行為的避障。接收規(guī)劃層的命令控制移動(dòng)機(jī)器人。對移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。甚至直接在底層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地圖建立，路徑規(guī)劃，所以底層控制系統(tǒng)必須具備如下基本模塊：電機(jī)調(diào)速D/A模塊、光電旋轉(zhuǎn)編碼器信息采集模塊、通信模塊。

3結(jié)語

綜上所述，本文參考中科院CASIA移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，提出一種基于混合式體系結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了超聲導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)。并在所設(shè)計(jì)的平臺(tái)上研究了在室內(nèi)環(huán)境中如何利用多超聲波傳感器的信息建立環(huán)境地圖。希望通過此次理論研究對實(shí)際發(fā)展起到促進(jìn)作用。

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