仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)邏輯的正確性
外部驅(qū)動(dòng)器采用L298雙H橋高電壓大電流功率集成電路，將脈沖發(fā)牛電路產(chǎn)生的4相方波信號(hào)經(jīng)總線收發(fā)器74LS245輸出至L298的輸入端 IN1～I(xiàn)N4，控制H橋的通斷，使電機(jī)正反轉(zhuǎn)或停止。為防止電機(jī)在啟停瞬間的反饋電壓損壞L298，在L298輸出端和電機(jī)之間加人8個(gè)二極管起斷電續(xù)流的保護(hù)作用。
為了改善電機(jī)的控制性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人更精確和穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制，需要獲得電機(jī)的速度信息作為電機(jī)控制的反饋環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作速度檢測(cè)，兩個(gè)光電編碼器分別與兩路電機(jī)同軸相連，由CPLD配合ARM器件實(shí)現(xiàn)變脈沖數(shù)／脈沖周期測(cè)速，即變M／T測(cè)速，定時(shí)對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行采樣。采樣速度和上位機(jī)的給定速度所得差值傳人PID控制器。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的閉環(huán)控制。
3.3 超聲傳感模塊
避障是智能移動(dòng)機(jī)器人的基本功能，避障的首要任務(wù)是確定障礙物位置。PC機(jī)基于機(jī)器人視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的路徑規(guī)劃易受視場(chǎng)光線強(qiáng)弱、背景色等因素干擾，針對(duì)這一問題，機(jī)器人在單片機(jī)控制系統(tǒng)中采用超聲傳感器測(cè)距實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)障礙物的檢測(cè)和定位。
超聲波測(cè)距采用時(shí)間渡越測(cè)距法，即根據(jù)從超聲波發(fā)生器發(fā)射出超聲波到超聲波在傳播過程中遇到障礙物后超聲波接收器接收到反射波所用時(shí)間t，以及超聲波在空氣中的傳播速度v(v=331.4(1+T／273)1/2m／s；T為攝氏溫度)，得出機(jī)器人與障礙物之間的距離l=vt／2。該模塊共采用 3對(duì)超聲換能器，分布于機(jī)器人的正前方、左前方、右前方。ARM發(fā)出控制信號(hào)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)?？刂菩盘?hào)經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)信號(hào)，由超聲傳感器產(chǎn)生遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)放大后通過接收電路引起ARM外部中斷，在中斷程序中可以獲得定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，并計(jì)算出距離。超聲傳感模塊框圖見圖4。
4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1 嵌入式操作系統(tǒng)
智能輪式移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)單任務(wù)順序執(zhí)行機(jī)制不能滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性要求，而且對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來說可靠性不高，因此選用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。它是一個(gè)源碼公開，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)，具有代碼尺寸小，可占用實(shí)時(shí)內(nèi)核，任務(wù)多，可確定執(zhí)行時(shí)間，運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。將μC／OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。
基于實(shí)時(shí)內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)可劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序庫組成；應(yīng)用層包括用于達(dá)成機(jī)器人任務(wù)目標(biāo)的全部代碼。在該系統(tǒng)軟件應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)中，將機(jī)器人的任務(wù)分解成通信、信息采集、電機(jī)控制等多個(gè)用戶任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)模塊進(jìn)行管理調(diào)度，協(xié)調(diào)機(jī)器人各項(xiàng)任務(wù)運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
4.2 運(yùn)動(dòng)控制算法
為了保證移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，使得系統(tǒng)在控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車等動(dòng)作時(shí)都能快速響應(yīng)且超調(diào)量小，在控制電機(jī)的過程中，系統(tǒng)采用了積分分離的PID控制算法。算法的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
5 結(jié)語
提出了一種基于ARM和CPLD的智能輪式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，這一方案充分利用ARM和CPLD的內(nèi)部資源，既具有ARM微控制器體積小，運(yùn)算速度快等特點(diǎn)，又具有CPLD的高速邏輯處理能力，靈活的可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性。軟硬件的調(diào)試和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)控制靈活，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，能夠滿足智能輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制需求。這種智能輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)可用于不同場(chǎng)合的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，并具有一定的普遍適用性，且性價(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
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