0 引 言

移動機器人是一種能夠感知外部環境，在有障礙物的環境中能夠實現動態決(jue) 策與(yu) 規劃，從(cong) 而完成避障等多種功能的綜合係統。機器人係統通常分為(wei) 機構本體(ti) 和控製係統兩(liang) 部分，控製係統的作用是根據用戶的指令對機構本體(ti) 進行操作和控製。隨著機器人的智能化水平越來越高，控製器要有方便、靈活的操作方式，以及多種形式的控製方式和高度可靠性，還要有很高的實時性。

為(wei) 了保證係統的實時性，簡化控製係統軟件的設計，有必要在控製係統引入嵌入式操作係統。本設計將嵌入式技術與(yu) 機器人技術相結合，利用ARM作為(wei) 硬件平台並移人μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作係統，開發了具有多線程、多任務管理的控製終端。嵌入式主控製器ARM是整個(ge) 機器人控製係統的核心，主要完成環境感知、組織管理、總體(ti) 任務分配。嵌入式主控器作為(wei) 機器人的運算層，一方麵作為(wei) 控製上位機，可以通過串口與(yu) 下位機伺服控製係統通信，從(cong) 而完成機器人的運動控製；另一方麵還提供了與(yu) 遙控操作端或用戶端的無線通信接口。本文設計的機器人控製係統可應用於(yu) 日常生活、足球機器人以及其他科學探索領域。

1 係統組織架構與(yu) 硬件設計

設計時考慮到機器人在體(ti) 積、質量等方麵的限製，以及要滿足功耗低，實時性高，性能優(you) 越的特點，選擇合適的軟硬件結構及有效的控製模式是整個(ge) 設計過程的關(guan) 鍵。

1．1 係統總體(ti) 架構

整個(ge) 機器人控製係統由嵌入式主控製器、伺服控製模塊、無線通信模塊和傳(chuan) 感檢測模塊組成。控製係統的總體(ti) 架構如圖1所示。

按功能劃分，該控製係統分為(wei) 上下兩(liang) 層。由實現任務管理、運動軌跡生成、定位的上層控製係統，以及完成機器人伺服控製、傳(chuan) 感器信息采集的下層控製係統組成。上層控製係統是整個(ge) 控製係統的核心控製層，它有兩(liang) 種控製實現方式：一種是獨立運行模式，另一種是遙控或遠程實時控製模式。獨立運行模式有自己的運行參數，即上層控製係統根據激光雷達的信息傳(chuan) 遞到環境建模模塊，產(chan) 生環境地圖並產(chan) 生避障算法所需信息，控製器根據避障模塊信息產(chan) 生機器人本體(ti) 速度和方向信息，傳(chuan) 遞到運動控製器。在運動控製底層程序定義(yi) 了一係列程序，運動控製器通過解釋上層控製係統傳(chuan) 遞過來的信息並執行相應程序，從(cong) 而達到機器人控製的目的，實現實時避障。遙控器或遠程實時控製模式是通過無線通信單元接收用戶端或遙控端發出的命令，實現對機器人的實時控製。係統的控製實現方式如圖2所示。

1．2 主控製模塊

主控製模塊采用SAMSUNG公司16／32位RISC處理器S3C4480作為(wei) 控製器。S3C4480功耗低，有多種電源供電方式，有多種外部存儲(chu) 器訪問，新的總線體(ti) 係結構(SAMBA)，速度可達132 MHz。主控模塊使用Hynix公司的HY57V281620(SDRAM)以及SAM-SUNG公司的Nand-Flash芯片K9F2808U作為(wei) 存儲(chu) 器。為(wei) 了增大數據吞吐能力，選取了2片SDRAM構成32位地址寬度。S3C4480使用ARM7TDMI核，它滿足μC／OS-Ⅱ正常運行的所有條件，設計時S3C4480移入μC／OS-Ⅱ操作係統，將加快處理器的應用和開發，而且還能提高係統的實時性。通過將係統的功能劃分成按不同優(you) 先級調度的任務，實現對機器人的多任務控製，主控製模塊中的路徑規劃任務采用柵格法。

1．3 激光雷達測距模塊

激光雷達是一種工作在從(cong) 紅外線到紫外光譜段的雷達係統，相對於(yu) 超聲波、紅外、攝像頭等其他傳(chuan) 感測距方法，激光雷達具有探測距離遠，測量精度高， 價(jia) 格相對適中等優(you) 點。在本設計中使用德國施克公司的LMS291激光測量係統，基於(yu) 飛行時間測量原理，180°掃描角度，可以設置三個(ge) 保護區域，具有濾波 功能，以消除障礙檢測過程中激光雷達的測距噪聲幹擾。

LMS291激光雷達通過旋轉鏡麵向各個(ge) 方向發射脈衝(chong) 激光，並由LMS291接收器接收反射光線。該激光雷達響應時間可固定為(wei) 13 ms，發射角為(wei) 幾mrad的激光脈衝(chong) ，通過測量發射脈衝(chong) 與(yu) 反射脈衝(chong) 之間的時間延遲，並乘以光速，就可以測得障礙物的距離。時間測量通過圖3所示的脈衝(chong) 填充 法求出。

　　如果計數值為(wei) N，則t=N△T=N／f，從(cong) 而可得L=ct／2=cN／(2f)，其中，f為(wei) 時鍾脈衝(chong) 。

LMS291激光測量係統提供RS 232數據接口，本設計主控製器采用的是S3C44B0，由於(yu) 它的LVTTL電路所定義(yi) 的高、低電平信號為(wei) 正邏輯，而RS 232標準采用負邏輯方式，兩(liang) 者間通信要進行電平轉換，在設計時係統采用RS 232電平轉換芯片MAX232ACPE實現串口的通信。

1．4 無線通信模塊

無線通信模塊利用從(cong) 前端RF接收到的遙控端或用戶端的信息通過串口發送到機器人，也可將的信息通過無線通信模塊發送出去。前端RF使用Chip-con公司生產(chan) 的CC2420芯片，無線通信模塊采用的微控製器為(wei) Microchip公司的 PIC18LF4620。CC2420與(yu) PIC18LF4620都使用3．3 V作為(wei) 工作電壓，可以降低功耗，CC2420隻需通過SI，SO，SCLK，CSn與(yu) PIC18LF4620的SPI接口進行連接。本設計中使用 PIC18LF4620的RC6，RC7引腳作為(wei) RS 232的數據發送端與(yu) 數據接收端。CC2420是一款較為(wei) 通用的符合IEEE802．15．4的2．4 GHz ZigBee收發芯片，該芯片在集成了PHY層和部分MAC層的同時，還提供了許多硬件支持。

1．5 伺服控製模塊

運動控製模塊通過RS 232與(yu) 主控製模塊連接，主控製模塊通過串行總線將期望速度、方向信息傳(chuan) 送至運動控製器，運動控製器將信息處理後作為(wei) 運動控製算法的輸入量，運動控製算法得到以PWM形式表示的電機控製信息。為(wei) 判斷電機轉速及運轉方向，安裝在電機上的光電編碼器提供相位相差90°的兩(liang) 個(ge) 通道的光碼脈衝(chong) 輸出，光電編碼器產(chan) 生的兩(liang) 脈衝(chong) 送入DSP的正交編碼脈衝(chong) 單元的QEP1，QEP2引腳，通過DSP的比較單元CAP1，CAP2捕捉，然後經譯碼單元產(chan) 生內(nei) 部4倍頻後的脈衝(chong) 信號CLK以及轉向信號，將脈衝(chong) 信號送入選定的計數器進行計數，計數方向由轉向信號決(jue) 定，通過讀取選定通用定時器的計數值、脈衝(chong) 數、計數方向可得到電機的轉速、行程及方向為(wei) 伺服控製提供反饋輸入。沒計使用TI公司的TMS320F2812作為(wei) 控製驅動模塊的控製器，該芯片產(chan) 生的PWM信號並不能夠直接驅動電機的執行，設計時使用TI公司的直流電機驅動芯片SN7S4410將PWM轉換成可驅動電機的驅動信號。圖4為(wei) 移動機器人運動控製係統的原理圖。

圖4中電流傳(chuan) 感器為(wei) 霍爾元件電流傳(chuan) 感器，將采集到的電機電流信息送入A／D轉換接口，從(cong) 而整個(ge) 運動控製係統形成雙閉環控製係統。運動控製器中運動控製算法采用PID算法，設定允許的誤差為(wei) e0，設定如下關(guan) 係：

當| e(k)|≤e0時，控製器不起作用；
當| e(k)|>e0時，可以得到控製器的輸出為(wei) ：

PWM信號的寬度由時間管理器中定時器的周期寄存器和與(yu) 該定時器相關(guan) 的比較寄存器決(jue) 定，經過PID處理後的控製器輸出u(k)為(wei) 脈衝(chong) 的占空比，然後寫(xie) 入選定定時器的比較寄存器，比較寄存器與(yu) 周期寄存器的比值即為(wei) PWM波形的占空比，從(cong) 而實現電機轉速的控製。#p#分頁標題#e#

2 軟件設計

該機器人控製係統的軟件設計包括主控製模塊、DSP運動控製器算法程序、PIC18LF4620的程序設計。PIC18LF4620的程序設計在這裏不做介紹。

2．1 主控製模塊程序設計

主控製模塊軟件設計是在μC／OS-Ⅱ平台上設計各硬件的驅動程序，創建和啟動各項任務，創建信號量、消息郵箱、消息隊列完成各任務間的通信。

針對S3C4480的硬件資源和編譯器特性，移植時要對μC／OS一Ⅱ的三個(ge) 源文件做修改：

(1)OS_CPU．H頭文件與(yu) 編譯器相關(guan) 的數據類型重新修改；

(2)OS_CPU_ A．S文件中修改處理器相關(guan) 的4個(ge) 匯編函數；

(3)OS_ CPU．C文件中編寫(xie) 初始化任務的堆棧函數。

μC／OS-Ⅱ中程序是從(cong) main()函數開始執行，程序啟動後跳轉至主程序運行，調用ARMInit() 初始化ARM係統，包括建立相關(guan) 參數和變量，配置ARM處理器中斷端口、設置中斷並初始化各器件，然後調用OSInit()初始化μC／OS-Ⅱ操作係統，將操作係統的初始化與(yu) 硬件的初始化分開來使得思路更清晰，便於(yu) 調試。由於(yu) 各任務之間要通過創建信號量、消息郵箱、消息隊列來完成通信，該操作通過調用 OSSemCreate()，OSMboxCreate()，OSQCreate()函數來完成，然後調用 OSTaskCreate(void(*task)(void*pd)，void*pda-ta，OS_STK*ptos，INT8U prio)函數創建各任務完成係統控製。最後調用函數OSStlart()，μC／OS-Ⅱ開始運行，執行任務。本係統設計時主要完成的任務有無線通信任務、命令解釋任務、激光雷達信息處理任務。

2．2 伺服控製模塊程序設計

伺服控製模塊利用高速的DSP運動控製器與(yu) 反饋信號組成閉環控製係統，DSP發送PWM波與(yu) 方向信號控製直流電機的轉速，通過速度反饋，DSP可實時讀取當前速度，利用DSP中的控製程序根據速度讀數控製PWM的占空比，從(cong) 而實現閉環控製。主程序流程圖如圖5所示。

在DSP的事件管理器中，將其中一個(ge) 定時器設定一個(ge) 中斷周期，每當定時器產(chan) 生中斷時，調用中斷處理子程序獲得電機的反饋速度。

3 結 語

根據新型激光雷達跟蹤測量理論，開發研製了基於(yu) μC／OS-Ⅱ的機器人實時控製係統。該控製係統已成功用於(yu) 實驗室自主研製開發的足球機器人。性能測試表明，該機器人控製係統能夠快速及時跟蹤定位目標，並且能夠通過無線通信模塊與(yu) 遙控端進行通信，完成指定操作指令。該控製係統采用的控製決(jue) 策算法為(wei) PID，今後將致力於(yu) 研究采用更為(wei) 先進的算法。

本文作者：黃永鋒 康東(dong) 嚴(yan) 海磊