1 引言
隨著人口老齡化進程的加快，更多老年人，尤其是地震和疾病致殘的殘疾人，都需要照顧。基於(yu) 此，這裏提出一種基於(yu) ARM的嵌入式服務機器人控製係統設計。該服務機器人的控製係統是機器人的神經中樞，因而其設計是機器人研究的核心。該控製係統通常以MCU、 DSP等為(wei) 核心，采用上、下位機二級分布式結構。其中上位機一般為(wei) PC機，下位機為(wei) 單片機或DSP等微控製器。但隨著移動機器人的智能化，控製方法的發展，所需計算量增大，一般的單片機等處理器很難完成控製要求。而基於(yu) ARM的嵌入式服務機器人的控製器采用分層與(yu) 模塊化結構，充分體(ti) 現可擴展性、可移植性的設計原則．同時具有低成本、低功耗、體(ti) 積小巧、可靠性高、智能化高以及通用性等特點。
2 係統整體(ti) 結構設計
圖1為(wei) 嵌入式控製係統的軟硬件層次結構。

嵌入式係統是以應用為(wei) 中心，以計算機技術為(wei) 基礎，軟、硬件可剪裁，適用於(yu) 應用係統，對功能、可靠性、成本、體(ti) 積，功耗要求嚴(yan) 格的專(zhuan) 用計算機係統。嵌入式係統總體(ti) 可劃分為(wei) 硬件和軟件兩(liang) 部分。硬件由微處理器和外圍的接口電路組成，同時還包括傳(chuan) 感器及驅動器接口和被控對象(機械裝置)；而軟件一般由實時操作係統及其運行的應用軟件構成。其應用軟件的功能層由基於(yu) RTOS的應用程序組成，用來控製被控對象。[next]
3 係統硬件設計
服務機器人控製係統的硬件平台設計至關(guan) 重要。首先它是用戶控製邏輯的具體(ti) 執行者，服務機器人的各種控製功能必須通過硬件實現；其次它也是實時控製係統軟件移植和運行的硬件環境。這裏采用部件模塊化，接口標準化，互換性、擴展性好，可靠性高的硬件設計原則。

服務機器人控製係統主要用於(yu) 實現控製服務機器人的導航、啟動、停車、運行控製、路徑規劃、安全監控、遠程控製計算機通訊及語音識別等功能。該控製係統主要由主控、導引、驅動、通訊、安全與(yu) 輔助、語音識別、液晶觸摸屏以及電源管理等單元組成。圖2為(wei) 其功能結構框圖。
嵌入式處理器是整個(ge) 硬件係統的核心元件，其性能好壞直接決(jue) 定整個(ge) 係統的運行效果，所提供功能的強弱直接決(jue) 定嵌入式應用的適應範圍和開發複雜度。嵌入式處理器一般具備以下特點：支持實時多任務操作係統；具有強存儲(chu) 區保護功能；處理器結構可擴展；功耗低。圖3為(wei) 基於(yu) ARM9的嵌入式係統的服務機器從(cong) 主控製器模塊結構。

選用三星公司ARM9係列的S3C2410處理器作為(wei) 服務機器人的控製CPU，在嵌入式係統μC／OS-II下實現機器人控製。S3C2410處理器采用 ARM920T內(nei) 核，5級流水線指令結構，片內(nei) 鎖相環，內(nei) 部時鍾可達200 MHz，因此可用來進行複雜控製算法，提高控製精度。S3C2410有117個(ge) I／O口和24個(ge) 外部中斷源，內(nei) 部具有豐(feng) 富的接口控製器，如：USB控製器、DMA控製器、UART控製器、I2C控製器等，這樣可簡化外圍電路，同時其內(nei) 部時鍾可達200 MHz，高性能指令集及可與(yu) C語言交叉匯編使其能完成複雜運算，提高服務機器人控製的實時性。
ARM處理器模塊通過兩(liang) 個(ge) RS-232串口分別與(yu) 傳(chuan) 感器模塊、伺服控製模塊連接，RS-232串口均丁作在中斷模式下，以保證係統的實時性。伺服控製模塊與(yu) 傳(chuan) 感器模塊均基於(yu) TI公司的TMS320LF2407型DSP，伺服模塊可同時控製4路直流伺服電機，傳(chuan) 感器模塊可接24路超聲傳(chuan) 感器和24路紅外傳(chuan) 感器，模塊在設計時充分考慮到降低成本和功耗，同時注重其實時性和可靠性。
人機交互模塊采用液晶(LCD)觸摸屏及語音交互接口。S3C2410內(nei) 置有液晶控製器，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，這裏選用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，用於(yu) 檢測屏幕觸摸輸入信息，有利於(yu) 提高人機交互的友好性；而語音識別南淩陽公司的SPCE061A完成，該器件是一個(ge) 16位結構的高集成的微控製器，內(nei) 部集成有MCU、A／D轉換器、D／A轉換器、RAM、ROM。具有較高運算速度的16x16位的乘法語音和內(nei) 積運算指令，CPU時鍾最高可達49 MHz。係統支持10個(ge) 中斷向量及14個(ge) 中斷源，具有較強的中斷處理能力，適合實時語音處理。具有雙通道10位A／D轉換器方式的音頻輸出功能，配置帶自動增益控製功能(AGC)的麥克風輸入方式，為(wei) 語音處理帶來極大便利。圖4為(wei) 語音識別模塊硬件結構。

4 係統軟件設計
軟件設計的基本原則是：軟件結構化、驅動標準化、係統可定製。服務機器人的控製器關(guan) 鍵要保證係統的實時性。采用μC／OS-II實時操作係統，其具有結構簡單、容易移植、源代碼公開等優(you) 點。使用μC／OS-II實時操作係統開發服務機器人控製軟件就是將整個(ge) 控製軟件的功能劃分為(wei) 若幹任務，分別加以實現，並以任務問通信方式實現各個(ge) 任務間的邏輯關(guan) 係。整個(ge) 軟件控製體(ti) 係結構如圖5所示。
5 實驗研究
在搭建機器人軟硬件平台及編寫(xie) 與(yu) 硬件相關(guan) 的底層函數後，在該實時內(nei) 核上編寫(xie) 接口驅動程序及機器人應用程序。通過軟硬件整體(ti) 測試後，將該機器人控製器安裝在智能輪椅上進行實驗。在實驗過程中。智能輪椅移動穩定，轉向靈活，變速平穩；能及時識別並躲避障礙物；機器人視頻傳(chuan) 輸畫麵流暢；語音人機交互功能，由麥克風將聲音傳(chuan) 給語音處理器，通過硬件處理識別語音信號，然後再經南喇叭播放機器人的對答聲音。實現人機對話。同時該服務機器人控製係統結構簡單，電路體(ti) 積小，有利於(yu) 安裝與(yu) 維護。

6 結束語
服務機器人控製係統是機器人的神經中樞，決(jue) 定著機器人能否按照用戶要求順利地完成相應工作任務。基於(yu) ARM和嵌入式μC／OS-Ⅱ的服務機器人控製係統可廣泛應用於(yu) 服務型機器人。這必將開發出低成本、低功耗、體(ti) 積小巧、實時性強、可靠性高、接口豐(feng) 富、維護方便、智能化程度高的機器人，也將促進機器人運用的普及和推廣，從(cong) 而推進我國機器人行業(ye) 向產(chan) 業(ye) 化方向發展。