基于ARM的嵌入式服務(wù)機(jī)器人控制器的研究

1 引言
    隨著人口老齡化進(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(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該服務(wù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的神經(jīng)中樞，因而其設(shè)計(jì)是機(jī)器人研究的核心。該控制系統(tǒng)通常以MCU、 DSP等為核心，采用上、下位機(jī)二級(jí)分布式結(jié)構(gòu)。其中上位機(jī)一般為PC機(jī)，下位機(jī)為單片機(jī)或DSP等微控制器。但隨著移動(dòng)機(jī)器人的智能化，控制方法的發(fā)展，所需計(jì)算量增大，一般的單片機(jī)等處理器很難完成控制要求。而基于ARM的嵌入式服務(wù)機(jī)器人的控制器采用分層與模塊化結(jié)構(gòu)，充分體現(xiàn)可擴(kuò)展性、可移植性的設(shè)計(jì)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    圖1為嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件層次結(jié)構(gòu)。

    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可剪裁，適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)功能、可靠性、成本、體積，功耗要求嚴(yán)格的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器接口和被控對(duì)象(機(jī)械裝置)；而軟件一般由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其運(yùn)行的應(yīng)用軟件構(gòu)成。其應(yīng)用軟件的功能層由基于RTOS的應(yīng)用程序組成，用來控制被控對(duì)象。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。首先它是用戶控制邏輯的具體執(zhí)行者，服務(wù)機(jī)器人的各種控制功能必須通過硬件實(shí)現(xiàn)；其次它也是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件移植和運(yùn)行的硬件環(huán)境。這里采用部件模塊化，接口標(biāo)準(zhǔn)化，互換性、擴(kuò)展性好，可靠性高的硬件設(shè)計(jì)原則。
    服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)控制服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航、啟動(dòng)、停車、運(yùn)行控制、路徑規(guī)劃、安全監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)通訊及語音識(shí)別等功能。該控制系統(tǒng)主要由主控、導(dǎo)引、驅(qū)動(dòng)、通訊、安全與輔助、語音識(shí)別、液晶觸摸屏以及電源管理等單元組成。圖2為其功能結(jié)構(gòu)框圖。

    嵌入式處理器是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心元件，其性能好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效果，所提供功能的強(qiáng)弱直接決定嵌入式應(yīng)用的適應(yīng)范圍和開發(fā)復(fù)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(tǒng)；具有強(qiáng)存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；處理器結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展；功耗低。圖3為基于ARM9的嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)機(jī)器從主控制器模塊結(jié)構(gòu)。

    選用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務(wù)機(jī)器人的控制CPU，在嵌入式系統(tǒng)μC／OS-II下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。S3C2410處理器采用 ARM920T內(nèi)核，5級(jí)流水線指令結(jié)構(gòu)，片內(nèi)鎖相環(huán)，內(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)200 MHz，因此可用來進(jìn)行復(fù)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(nèi)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(nèi)部時(shí)鐘可達(dá)200 MHz，高性能指令集及可與C語言交叉匯編使其能完成復(fù)雜運(yùn)算，提高服務(wù)機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性。
    ARM處理器模塊通過兩個(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(tǒng)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(jī)，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(shè)計(jì)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。[!--empirenews.page--]
    人機(jī)交互模塊采用液晶(LCD)觸摸屏及語音交互接口。S3C2410內(nèi)置有液晶控制器，可以支持最大256 K色的TFT彩色液晶屏、最大4 K色的STN彩色液晶屏，這里選用LQ080V3DG01型8英寸640x480 TFT液晶屏，該液晶屏上配有4線電阻式觸摸屏，用于檢測(cè)屏幕觸摸輸入信息，有利于提高人機(jī)交互的友好性；而語音識(shí)別南凌陽公司的SPCE061A完成，該器件是一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的高集成的微控制器，內(nèi)部集成有MCU、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、RAM、ROM。具有較高運(yùn)算速度的16x16位的乘法語音和內(nèi)積運(yùn)算指令，CPU時(shí)鐘最高可達(dá)49 MHz。系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及14個(gè)中斷源，具有較強(qiáng)的中斷處理能力，適合實(shí)時(shí)語音處理。具有雙通道10位A／D轉(zhuǎn)換器方式的音頻輸出功能，配置帶自動(dòng)增益控制功能(AGC)的麥克風(fēng)輸入方式，為語音處理帶來極大便利。圖4為語音識(shí)別模塊硬件結(jié)構(gòu)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)的基本原則是：軟件結(jié)構(gòu)化、驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)可定制。服務(wù)機(jī)器人的控制器關(guān)鍵要保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。采用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易移植、源代碼公開等優(yōu)點(diǎn)。使用μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)服務(wù)機(jī)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(xiàn)，并以任務(wù)問通信方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)間的邏輯關(guān)系。整個(gè)軟件控制體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

5 實(shí)驗(yàn)研究
    在搭建機(jī)器人軟硬件平臺(tái)及編寫與硬件相關(guān)的底層函數(shù)后，在該實(shí)時(shí)內(nèi)核上編寫接口驅(qū)動(dòng)程序及機(jī)器人應(yīng)用程序。通過軟硬件整體測(cè)試后，將該機(jī)器人控制器安裝在智能輪椅上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中。智能輪椅移動(dòng)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向靈活，變速平穩(wěn)；能及時(shí)識(shí)別并躲避障礙物；機(jī)器人視頻傳輸畫面流暢；語音人機(jī)交互功能，由麥克風(fēng)將聲音傳給語音處理器，通過硬件處理識(shí)別語音信號(hào)，然后再經(jīng)南喇叭播放機(jī)器人的對(duì)答聲音。實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。同時(shí)該服務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路體積小，有利于安裝與維護(hù)。

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