基于S3C44B0X的移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用研究

  移動(dòng)機(jī)器人利用導(dǎo)航技術(shù)，獲得機(jī)器人的目前所處的位置，結(jié)合傳感器技術(shù)對(duì)周?chē)饨绛h(huán)境（障礙物等）作實(shí)時(shí)探測(cè)，并根據(jù)環(huán)境提供的信息規(guī)劃一條可行路徑完成達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)涉及到傳感器技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，因而對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制部分提出很高的要求，特別是視覺(jué)傳感器的出現(xiàn)，要求控制系統(tǒng)不僅存儲(chǔ)量大，而且處理速度快等。以往基于PLC和單片機(jī)控制的移動(dòng)機(jī)器人就不能很好的滿足實(shí)時(shí)性快速性的特點(diǎn)。

  隨著ARM處理器的出現(xiàn)和發(fā)展以及嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性快速性要求便能得到很好滿足，現(xiàn)在該技術(shù)已經(jīng)在多種領(lǐng)域得到有效的應(yīng)用。本文是以SAMSUNG公司一款基于ARM7TDMI核的低功耗高性能的32位處理器芯片S3C44B0X為控制核心，以凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A為輔助處理器來(lái)處理傳感器探測(cè)的障礙物信息，并運(yùn)用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)µC/OS-II管理移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)和多任務(wù)的執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)避障和導(dǎo)航功能并能順利達(dá)到目的地。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要完成對(duì)外界障礙物的探測(cè)與信息的傳輸，機(jī)器人當(dāng)前位置的獲取，路徑規(guī)劃，和運(yùn)行控制等功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊化劃分，本系統(tǒng)可劃分以下五大模塊：環(huán)境探測(cè)模塊；全局定位模塊；程序下載模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖

2.1 環(huán)境探測(cè)模塊

  移動(dòng)機(jī)器人在避障和路徑規(guī)劃過(guò)程中，機(jī)器人必須實(shí)時(shí)探測(cè)周?chē)恼系K物的信息，測(cè)量障礙物的距離。目前有紅外，超聲波，激光和視覺(jué)（CDD）傳感器，激光傳感器受環(huán)境影響大，價(jià)格比較昂貴，視覺(jué)傳感器（CCD）要求芯片的存儲(chǔ)容量大且要求處理速度快等特點(diǎn)，不易采用?；谶@一點(diǎn)本文在移動(dòng)機(jī)器人的前方，左方，右方各安裝一套紅外傳感器和超聲波傳感器以測(cè)量3個(gè)方向的障礙物的距離，多傳感器的使用可以避免了單一傳感器的測(cè)量存在的盲區(qū)。

   紅外傳感器有發(fā)射器和接受器構(gòu)成，此傳感器的3路發(fā)射端口接凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A的3路I/O口，3路接受器的端口接單片機(jī)的另外3路。當(dāng)單片機(jī)I/O輸出為高電平時(shí)，發(fā)射器端口發(fā)射紅外光，光波遇到障礙物反射被接受器，產(chǎn)生光強(qiáng)相對(duì)的電流經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)，根據(jù)電壓大小計(jì)算障礙物的距離。超聲波傳感器的工作原理與紅外傳感器基本相同，聲波遇到障礙物返回被接受器接受，根據(jù)時(shí)間差計(jì)算障礙物的距離。

   該探測(cè)模塊可以測(cè)量0～2m距離內(nèi)的障礙物，測(cè)量誤差小，采用16位凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A對(duì)障礙信息進(jìn)行快速處理，一旦探測(cè)到障礙物便通過(guò)總線接口與S3C44B0X通訊并作數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 全局定位模塊
  
   機(jī)器人當(dāng)前位置的確定至關(guān)重要，為機(jī)器人路徑規(guī)劃提供必不可少的信息，目前定位傳感器有全球定位系統(tǒng)（GPS），旋轉(zhuǎn)電位計(jì)，光電編碼器，磁羅盤(pán)，電子羅盤(pán)，加速度計(jì)等。針對(duì)使用環(huán)境，本模塊采用長(zhǎng)春第一光學(xué)有限公司生產(chǎn)的光電編碼器和電子羅盤(pán)相結(jié)合的方法來(lái)確定機(jī)器人的當(dāng)前的坐標(biāo)點(diǎn)¹。光電編碼器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，將軸的角度位移轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，6通過(guò)放大電路輸出到S3C44B0X的計(jì)數(shù)器T1，把在特定時(shí)間采集的脈沖進(jìn)行存儲(chǔ)，脈沖信號(hào)與輪子的轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)成正比，因而可以計(jì)算在設(shè)定機(jī)器人的實(shí)際路程。電子羅盤(pán)采用霍尼維爾低成本的HMR3100平面電子羅盤(pán)，內(nèi)部有HMC1022二軸磁傳感器，,角度測(cè)量精度可達(dá)5度，電子羅盤(pán)可以確定機(jī)器人相對(duì)北極的絕對(duì)方向，可以精確測(cè)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與理論方向之間的偏差,從而糾正機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3 程序下載模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

    程序下載模塊主要完成啟動(dòng)程序和應(yīng)用程序的下載，本系統(tǒng)提供兩種下載方式，串口下載和并口下載。串口下載通過(guò)RS232串口線連接板上COM1與PC進(jìn)行通訊，并口下載通過(guò)并口線與JTAG調(diào)試接口連接完成PC與S3C44B0的通訊。

    電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度的影響很大，考慮各種因素本模塊選用一種基于雙通道、高壓、高速柵極驅(qū)動(dòng)方式的集成驅(qū)動(dòng)器IR2110。IR2110驅(qū)動(dòng)芯片能將輸入的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)化成同相位的低阻抗輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的 2路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓高，成本低等特點(diǎn)提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。電機(jī)采用普通大功率直流減速電機(jī)，使用大功率H橋驅(qū)動(dòng)電路，電路原理如圖3所示。

圖3電路驅(qū)動(dòng)原理圖

   電路中IR2110作為前置驅(qū)動(dòng)，四個(gè)IRFP250組成H橋驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)IN1端加上PWM信號(hào)，IN2端加上低電平時(shí)Q2，Q5導(dǎo)通，Q3，Q4截止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)IN2端加上PWM信號(hào)，IN1端加上低電平時(shí)Q3，Q4導(dǎo)通，Q2，Q5截止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了使電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，PWM信號(hào)的頻率不低于1KHZ。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
  
   軟件部分的實(shí)現(xiàn)是基于移植到S3C44B0X的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)µC/OS-II，它是基于優(yōu)先級(jí)，搶占式實(shí)時(shí)內(nèi)核，具有源代碼公開(kāi)，可移植性好，可剪裁，多任務(wù)等特點(diǎn)，可以管理64個(gè)任務(wù)，應(yīng)用程序可達(dá)56個(gè)任務(wù)。它主要完成任務(wù)管理，時(shí)間管理，信號(hào)量管理，內(nèi)存管理等功能。

   該機(jī)器人主要完成避障檢測(cè)與信息傳輸，位置獲取，路徑規(guī)劃，運(yùn)行控制功能，因此，該系統(tǒng)共創(chuàng)建了4個(gè)任務(wù)，任務(wù)1：避障檢測(cè)與信息傳輸，任務(wù)2：位置獲取，任務(wù)3：路徑規(guī)劃，任務(wù)4：電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次降低，任務(wù)之間通過(guò)油箱傳遞信息。移動(dòng)機(jī)器人在完成初始化系統(tǒng)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行任務(wù)4按照預(yù)定的路徑向目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)，同時(shí)單片機(jī)SPCE061A控制的傳感器工作，當(dāng)傳感器探測(cè)周?chē)姓系K物時(shí)，任務(wù)1進(jìn)入就緒態(tài)，由于任務(wù)1的優(yōu)先級(jí)高，就搶占CPU的使用權(quán)，完成障礙信息的處理與傳輸。通過(guò)信號(hào)量的傳遞，任務(wù)2進(jìn)入就緒態(tài)，完成目前位置的計(jì)算，為路徑規(guī)劃提供依據(jù)。任務(wù)3根據(jù)任務(wù)1提供的障礙信息和任務(wù)2提供的信息位置信息啟動(dòng)導(dǎo)航算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，新的路徑規(guī)劃完成之后，任務(wù)4進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，從而完成最終規(guī)定任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

   實(shí)驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，場(chǎng)地面積12m×12m，綠色毛毯狀物質(zhì)貼于場(chǎng)地表層以防止打滑。路徑規(guī)劃采用基于柵格的導(dǎo)航算法²，機(jī)器人形狀大小0.8m×0.8m×0.6m, 柵格尺度為機(jī)器人尺度為0.8m×0.8m，柵格的行數(shù)與列數(shù)均為15，柵格總數(shù)為15×15=225格。以積木和其它機(jī)器人為靜止障礙物。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡如圖4所示。圖中淺灰色方框?yàn)檎系K物，深灰色方框路線為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，起始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)如下圖4所標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠避開(kāi)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)多次，位置誤差在0～0.4m，具有可行性。

圖4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)示意圖

5 結(jié)論

  本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是采用高性能ARM芯片S3C44B0X為主控制和單片機(jī)SPCE061A為輔助控制器相結(jié)合的方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，并引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)µC/OS-II完成機(jī)器人導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)機(jī)器人多個(gè)任務(wù)進(jìn)行合理規(guī)劃和調(diào)度，以及保證機(jī)器人對(duì)未知環(huán)境的快速響應(yīng)和保證整個(gè)系統(tǒng)的精度，實(shí)驗(yàn)證明了這種方法具有可行性。

  該控制系統(tǒng)有豐富的硬件資源，傳感器所獲取的信息的處理也采用高性能單片機(jī)SPCE061A，為以后視覺(jué)傳感器（CCD）的使用提供了硬件基礎(chǔ)，該機(jī)器人占用主控制器的硬件也比較少，為以后系統(tǒng)的升級(jí)提供方便。也可以采用更先進(jìn)的導(dǎo)航算法使 更加智能化。