1 引言

　　輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內(nei) 容，它集機械、電子、檢測技術與(yu) 智能控製於(yu) 一體(ti) ，是一個(ge) 典型的智能控製係統。智能機器人比賽集高科技、娛樂(le) 、競技於(yu) 一體(ti) ，已成為(wei) 國際上廣泛開展的高技術對抗活動。現以ARM7處理器為(wei) 控製核心，采用無線通信技術，並移植嵌入式實時操作係統μC/0S一Ⅱ設計了一套智能機器人控製係統。

2 硬件設計

　　根據競技機器人的功能要求進行總體(ti) 設計，將各個(ge) 功能進行模塊化，其控製係統硬件框圖如圖1所示。中央處理器采用微控製器結構，用以控製外圍設備協調運行。舵機控製機器人的運動方向;驅動電機電動機采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機驅動車輪旋轉。電磁鐵作為(wei) 機械手夾緊的執行元件。設置了兩(liang) 路超聲波傳(chuan) 感器、8路光電檢測輸入和8路開關(guan) 量檢測接口。整個(ge) 機器人的運行狀態和運行參數通過LCD動態顯示。

　　2.1 微控製器的選型

　　機器人要實現的動作和功能較多，需要多個(ge) 傳(chuan) 感器對外界進行檢測，並實時控製機器人的位置、動作和運行狀態。係統中的所有任務最終都掛在實時操作係統 μC/0S一Ⅱ上運行，因此不僅(jin) 要考慮微控製器的內(nei) 部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2129是Philips公司生產(chan) 的一款32位 ARM7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲(chu) 器，它采用3級流水線技術，同時進行取指、譯碼和執行，而且能夠並行處理指令，提高 CPU的運行速度。由於(yu) 它的尺寸非常小，功耗極低，抗幹擾能力強，適用於(yu) 各種工業(ye) 控製。2個(ge) 32位定時計數器、6路PWM輸出和47個(ge) 通用I/0口，所以特別適用於(yu) 對環境要求較低的工業(ye) 控製和小型智能機器人係統。因此選用LPC2129為(wei) 主控製器，可以獲得設計結構簡單、性能穩定的智能機器人控製係統。

　　2.2 無線通信接口設計

　　係統采用迅通公司生產(chan) 的PTR2000無線通信數據收發模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基於(yu) NORDIC公司生產(chan) 的射頻器件nRF401開發，其特點是：①有兩(liang) 個(ge) 頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb/s;②接收發射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活;③體(ti) 積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求;④可直接接單片機串口模塊，控製簡單;⑤抗幹擾能力強;⑥功耗小，通信穩定。

　　2.3 光電檢測模塊設計

　　2.3.1 光電檢測過程

　　設計光電檢測模塊，使機器人能夠檢測地麵上的白色引導線。光電檢測電路主要包括發射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發射部分的波形調製采用了頻率調製方法。由於(yu) 發光二極管的響應速度快，其工作頻率可達幾兆赫茲(zi) 或十幾兆赫茲(zi) ，而檢測係統的調製頻率在幾十至幾百千赫茲(zi) 範圍之內(nei) ，因此能夠滿足要求。光源驅動主要負責將調製波形放大到足夠的功率去驅動光源發光。光源采用紅外發光二極管，工作頻率較高，適合波形為(wei) 方波的調製光發射。
　　
 

　　接收部分采用光敏二極管接收調製光線，將光信號轉變為(wei) 電信號。這種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大後才能進行處理。調製信號的放大采用交流放大形式，可以將調製光信號與(yu) 背景光信號分離開來，為(wei) 信號處理提供方便。調製信號處理部分對放大後的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，該模塊的本質是將“交流”的、有用的調製光信號從(cong) “直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從(cong) 而達到抗幹擾的目的。

　　2.3.2 光電探頭

　　在機器人底盤前部安裝有光電探頭，共設置了5個(ge) 檢測點，其結構如圖4所示。

　　從(cong) 理論上講，檢測點越多，越密，識別的準確性與(yu) 可靠性越高。但是硬件的開銷與(yu) 軟件的複雜程度也相應增加。采用該尋線係統保證了檢測的精確度，也節約了硬件的開銷。發光二極管發出的調製光經地麵反射到光敏二極管。光敏二極管產(chan) 生的光電流隨反射光的強弱線性變化。檢測出這種變化，即可判斷某一個(ge) 檢測點是否在白色引導線的上方，從(cong) 而判斷機器人和白色引導線的相對位置。

　　2.4 超聲波測距傳(chuan) 感器設計與(yu) 實現

　　兩(liang) 路超聲波傳(chuan) 感器用以控製機器人避開障礙物，並預測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與(yu) 微控製器的捕獲和定時管腳相連接。整個(ge) 超聲波檢測係統由超聲波發射、超聲波接收和單片機控製等部分組成。發射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經功率放大器放大後，通過超聲波換能器發射超聲波。

　　圖5給出由數字集成電路構成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chan) 生的高頻電壓信號通過電容C2隔除掉了信號中的直流量並給超聲波換能器MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產(chan) 生與(yu) 超聲波頻率相對應的高頻電壓信號，該信號通過反向器U1C變為(wei) 標準方波信號，再經功率放大，C2隔除直流信號後加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發射。如果超聲波換能器長時間加直流電壓，會(hui) 使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理。U2A為(wei) 74ALS00 與(yu) 非門，control_port（控製端口）引腳為(wei) 控製口，當control_port為(wei) 高電平時，超聲波換能器發射超聲波信號。

　　圖6示出為(wei) 超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對換能器接收到的信號采用集成運算放大器LM324進行信號放大，經過三級放大後，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉換為(wei) TTL脈衝(chong) 信號。INT_Port與(yu) 單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號後，單片機立即進入中斷並對超聲波信號進行處理和判斷。

3 實時操作係統μC/OS—II的移植

　　μC/OS—II是一個(ge) 嵌入式實時操作係統內(nei) 核，包含了任務調度、任務管理、時間管理、內(nei) 存管理和任務間的通信與(yu) 同步等基本功能。μC/OS—II進行任務調度時，會(hui) 把當前任務的CPU寄存器存放到該任務堆棧中，然後再從(cong) 另一個(ge) 任務堆棧中恢複原來的工作寄存器，繼續運行另一個(ge) 任務。

　　根據各個(ge) 控製功能和微控製器的資源結構對任務進行劃分，共劃分為(wei) 7個(ge) 應用任務，其劃分過程如圖7所示。無線串行通信采用中斷接收方式，保證數據接收的實時性。

　　μC/OS一Ⅱ任務的建立包括定義(yi) 任務堆棧、設定任務優(you) 先級、初始化該任務要求的係統硬件及實現具體(ti) 的控製過程等4部分。現以任務1為(wei) 例，介紹應用任務的建立過程。#p#分頁標題#e#

　　在嵌入式實時操作係統環境下開發實時應用程序，可使程序的設計和擴展變得容易，而且無需大的改動即可增加新的功能。通過將應用程序分割成若幹獨立的任務模塊，可大大簡化應用程序的設計過程;而且能快速、可靠地對實時性要求苛刻的事件。通過有效的係統服務、嵌入式實時操作係統，能使係統資源得到更好的利用。

4 調試運行

　　在機器人控製係統起動時，μC/OS一Ⅱ對堆棧空間、各個(ge) 控製寄存器和外設器件的硬件進行初始化，並設定當前各個(ge) 功能部件的初始狀態。

　　在實時機器人係統下，機器人正常啟動後，係統實時監視機器人在比賽場上的運行狀況，若出現某一動作或功能無效則給出出錯信息。正常運行時實時顯示機器人在比賽場上的坐標值和動作狀態，如圖8所示。

5 結語

　　根據智能機器人的控製要求，設計了基於(yu) 無線通信的嵌入式機器人控製係統。在軟件設計上移植了嵌人式實時操作係統μC/OS一Ⅱ。利用光電檢測模塊和超聲波導航模塊感知外部信息，實現了對智能機器人的控製。