基于ARM的導航機器人系統(tǒng)軟件和硬件設計分析

顏寶亞

摘 要：在一定程度上為了能夠去實現室外自主移動機器人的導航定位需求，相關設計單位充分利用了微慣性測量單元以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機，并從中設計出了一種基于ARM內核的組合機器人導航系統(tǒng)。本文主要是通過分析導航機器人系統(tǒng)軟件和硬件設計，并在該基礎之上實現濾波的GPS組合導航的相關方法。在基于ARM的導航機器人系統(tǒng)軟件和硬件的設計分析中都是達到了理論設計要求。

關鍵詞：ARM;導航機器人;視覺導航系統(tǒng);硬件設計

前言：

伴隨著我國科學的快速發(fā)展，機器人在我國各個行業(yè)中的實際應用都有著極大的發(fā)展前景。在導航機器人運用場合中，比較常見的是采用傳感器組合的導航機器人系統(tǒng)。在慣性系統(tǒng)中，其也是一種比較全面的導航機器人信息系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)所存在的誤差伴隨著時間的增加而不斷加劇。GPS系統(tǒng)的定位范圍是極為廣泛的，其誤差不會隨時間增加，該系統(tǒng)的問題是信號受到外界的影響較大，在接收數據方面的準確性不夠。在組合導航機器人系統(tǒng)中，充分利用了全球定位系統(tǒng)和INS系統(tǒng)的特征，并將這兩個系統(tǒng)的優(yōu)點全部繼承，是當前導航機器人領域方面最佳的組合之一。在導航機器人系統(tǒng)中，這兩者之間相輔相成，形成組合系統(tǒng)，在性能方面也是要完全高于獨立導航機器人系統(tǒng)的。

一：導航機器人硬件系統(tǒng)分析

為了能夠去實現導航機器人的定位需求，相關人員必須要確定其在準確的運動狀態(tài)方面的信息數據，這些信息數據主要包含了速度信息、姿態(tài)信息以及三軸加速度信息等內容。在基于ARM導航機器人組合系統(tǒng)中來說，除需要考慮到導航機器人的準確度之外，還需要考慮到導航機器人系統(tǒng)的體積重量，所以在信息網絡中通常都是采用體積較小和質量較輕的電子機械系統(tǒng)所組成的級聯慣性導航機器人系統(tǒng)。然后將基于ARM導航機器人系統(tǒng)安裝在設備上面，采用差分全球定位系統(tǒng)針對組合機器人組合導航系統(tǒng)性進行相對應的分析。通過分析，系統(tǒng)軟件和硬件設計都是達到了理論設計要求，在實際應用中預示有較好的效果。全球定位系統(tǒng)主要是采用準確度較高的OEM板卡。

二：視覺導航系統(tǒng)軟件設計分析

導航機器人操作系統(tǒng)使用UCOS-III嵌入式實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)還專門的鑲嵌了視覺開發(fā)相關的輔助軟件，在導航機器人進行實際任務切換時，其響應較快，反映速度較快的特征被大量的應用在導航機器人的實時響應和多任務控制中。在很大程度上起到提升導航機器人軟件系統(tǒng)的快速響應和精確處理等性能，從而有助于導航機器人軟件設計的智能化與模塊化，提升導航機器人的整體性能以及現場環(huán)境抗干擾能力的性能等。在軟件設計方面，必須要遵守基本設計原則，如：驅動標準化原則、軟件結構化原則等。

2.1 圖像處理軟件的模塊分析

在導航機器人圖像處理軟件模塊中，為了實現導航機器人所呈現出的視覺核心軟件，圖像處理軟件模塊所需要完成的功能包含了圖像采集、圖像解碼、圖像處理和圖像數據實時更新等內容。筆者主要是通過對導航機器人的圖像匹配功能實現方式進行分析。在基于ARM導航機器人系統(tǒng)中，我們主要是采用的圖像匹配算法SSDA，其充分利用了圖像處理軟件模塊不再匹配點上所累計的誤差加快，從而讓其誤差增長變的緩慢的特點，能夠形成比較快速的消除匹配點，從而提升搜索匹配的相關速度。以往的算法主要是針對圖像的灰度圖所進行的匹配，并沒有去充分的利用到圖像顏色的相關信息。筆者通過對彩色的圖像匹配特點和對以往的算法進行優(yōu)化分析;在彩色圖像中的RGB彩色空間所使用的顏色是紅綠藍（RGB）并采用不同的分配比例來組合所需要合成的任意顏色。在實際模塊當中，RGB能夠用兩百多個階調的數值來進行實際的度量。在不同的階調數值方面，這是哪種顏色所組合成的色彩是比較豐富的。在針對彩色圖像的分析當中，因為在實際的板塊圖像中RGB的分量所占有的比例是有很大的區(qū)別的，所以在圖像處理軟件模塊中圖像的具體匹配結果影響也是大不相同的。在模塊圖像比重當中不同基色定義分量權重系統(tǒng)方面也是針對每一種色彩的像素數值所占有的數值總和比例。

2.2 導航機器人運動控制軟件模塊分析

導航機器人的運動控制軟件模塊主要是應用基于分段控制的相關思想的比例控制器，其主要是通過數據的偏差值大小，對不同的導航機器人運動的時間段進行控制，在每一個分段中，控制器都是按照一定的比例來分配的，其主要的控制規(guī)律如下所示：

其中U（t）是機器人內部的控制器的相關輸出，即PWM信號控制輸出;Kp是比例的相關系數，即根據不同時間段取值不同，控制機器人的運動軌跡;e（t）是屬于機器人控制器的輸入，即給目標對導航機器人視野中的數據偏差數值。

三：軟件架構設計分析

導航機器人軟件設計使用源碼公開的UCOS-III嵌入式實時操作系統(tǒng)。軟件借鑒了RTOS程序運算思想，把各個程序的實際模塊全部劃分為節(jié)點和主體，包含了相關功能模塊的具體數據程序的實現，通過相關消息來發(fā)布信息，再充分采用該機制來實現多個功能模塊之間的程序耦合。在機器人定位部分當中多個定位的傳感器節(jié)點，是發(fā)布傳感器的主要數據主體，在編碼器當中的姿態(tài)算法節(jié)點中，其節(jié)點的算法包含了電子羅盤算法、三軸加速度信息和陀螺儀角度主體，通過導航機器人是進行當前位置的主體定位。

導航機器人是采用傳感器的原始數據來作為主體的。導航機器人的自身狀態(tài)算法節(jié)點在接收到傳感器的發(fā)布信息之后也能夠反饋出機器人的自身狀態(tài)主體，并去執(zhí)行相關的結構位置信息。當前給予ARM導航機器人的內部處理器是STM32H7處理器。在相關的組合導航機器人硬件設計方面主要包括控制中心模塊、數據采集模塊、數據顯示模塊、全球定位系統(tǒng)模塊以及數據儲存模塊等模塊，組合導航系統(tǒng)在IMU-MEMS中加入三軸磁力的HMCL，結合三軸角重力感應計，來綜合確定導航機器人的航向角的相關信息和導航機器人的初始姿態(tài)信息等。

結語：

總之，組合導航機器人是由嵌入式ARM系統(tǒng)為機器人的硬件平臺提供了比較適合的算法。ARM導航機器人系統(tǒng)軟件與硬件的特點是能夠起到提升導航機器人的準確度和可靠度，在短期之內全球定位系統(tǒng)信號出現異常時，可采用慣性導航在一定時間段也是能夠保持導航機器人的導航的準確度，這也一定程度上提高導航機器人的可靠性，并且還能夠讓系統(tǒng)具有一定的抵抗干擾的性能。通過分析該系統(tǒng)能夠較好的跟蹤目標的位置和速度信息，來滿足當前導航機器人的高要求定位性能。

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