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1、基于无线通信的嵌入式机器人控制系统设计ronggang导语：以支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7处理器LPC2129为控制核心,设计开发了轮式机器人控制系统硬件平台;系统集成了无线通信数据收发模块PTR2000、光电传检测模块及超声波导航模块1引言轮式挪动机器人是机器人研究领域的一项重要内容，它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体，是一个典型的智能控制系统。智能机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体，已成为国际上广泛开展的高技术对抗活动。现以ARM7处理器为控制核心，采用无线通信技术，并移植嵌入式实时操作系统C/0S一设计了一套智能机器人控制系统。2硬件设计根据竞技机器人的功能要求进展总
2、体设计，将各个功能进展模块化，其控制系统硬件框图如图1所示。中央处理器采用微控制器构造，用以控制外围设备协调运行。舵机控制机器人的运动方向;驱动电机电动机采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机驱动车轮旋转。电磁铁作为机械手夹紧的执行元件。设置了两路超声波传感器、8路光电检测输入和8路开关量检测接口。整个机器人的运行状态和运行参数通过LCD动态显示。2.1微控制器的选型机器人要实现的动作和功能较多，需要多个传感器对外界进展检测，并实时控制机器人的位置、动作和运行状态。系统中的所有任务最终都挂在实时操作系统C/0S一上运行，因此不仅要考虑微控制器的内部资源，还要看其可移植性和可扩展性。LPC212
3、9是Philips公司消费的一款32位ARM7TDMIS微处理器，嵌入256KB高速Flash存储器，它采用3级流水线技术，同时进展取指、译码和执行，而且可以并行处理指令，进步CPU的运行速度。由于它的尺寸非常小，功耗极低，抗干扰才能强，适用于各种工业控制。2个32位定时计数器、6路PWM输出和47个通用I/0口，所以十分适用于对环境要求较低的工业控制和小型智能机器人系统。因此选用LPC2129为主控制器，可以获得设计构造简单、性能稳定的智能机器人控制系统。2.2无线通信接口设计系统采用迅通公司消费的PTR2000无线通信数据收发模块。电路接口如图2所示。该模块基于NORDIC公司消费的射频器
4、件nRF401开发，其特点是：有两个频道可供选择，工作速率高达20Kb/s;接收发射合一，合适双工和单工通信，因此通信方式比拟灵敏;体积小，所需外围元件少，接口电路简单，因此十分合适机器人小型化要求;可直接接单片机串口模块，控制简单;抗干扰才能强;功耗小，通信稳定。2.3光电检测模块设计2.3.1光电检测经过设计光电检测模块，使机器人可以检测地面上的白色引导线。光电检测电路主要包括发射局部和接收局部，其原理如图3所示。发射局部的波形调制采用了频率调制方法。由于发光二极管的响应速度快，其工作频率可达几兆赫兹或者十几兆赫兹，而检测系统的调制频率在几十至几百千赫兹范围之内，因此可以知足要求。光源驱动
5、主要负责将调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。光源采用红外发光二极管，工作频率较高，合适波形为方波的调制光发射。接收局部采用光敏二极管接收调制光线，将光信号转变为电信号。这种电信号通常较微弱，需进展滤波和放大后才能进展处理。调制信号的放大采用沟通放大形式，可以将调制光信号与背景光信号别离开来，为信号处理提供方便。调制信号处理局部对放大后的信号进展识别，判断被检测对象的特性。因此，该模块的本质是将“沟通的、有用的调制光信号从“直流的、无用的背景光信号中别离出来，进而到达抗干扰的目的。2.3.2光电探头在机器人底盘前部安装有光电探头，共设置了5个检测点，其构造如图4所示。从理论上讲，检测点越多
6、，越密，识别的准确性与可靠性越高。但是硬件的开销与软件的复杂程度也相应增加。采用该寻线系统保证了检测的准确度，也节约了硬件的开销。发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱线性变化。检测出这种变化，即可判断某一个检测点是否在白色引导线的上方，进而判断机器人和白色引导线的相对位置。2.4超声波测距传感器设计与实现两路超声波传感器用以控制机器人避开障碍物，并预测机器人相对目的地间隔，起导航作用，其接收局部与微控制器的捕获和定时管脚相连接。整个超声波检测系统由超声波发射、超声波接收和单片机控制等局部组成。发射局部由高频振荡器、功率放大器及超声波换能器组成。经功
7、率放大器放大后，通过超声波换能器发射超声波。图5给出由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生的高频电压信号通过电容C2隔除掉了信号中的直流量并给超声波换能器MA40S2S。其工作经过：U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进展超声波发射。假如超声波换能器长时间加直流电压，会使其特性明显变差，因此一般对沟通电压进展隔除直流处理。U2A为74ALS00与非门，control_port控制端口引脚为控制口，当control_port为高电平时，超声波换能器发射超声波信号。图6示出
8、为超声波接收电路。超声波接收换能器采用MA40S2R，对换能器接收到的信号采用集成运算放大器LM324进展信号放大，经过三级放大后，通过电压比拟器LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连，当接收到中断信号后，单片机立即进入中断并对超声波信号进展处理和判断。3实时操作系统C/OSII的移植C/OSII是一个嵌入式实时操作系统内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等根本功能。C/OSII进展任务调度时，会把当前任务的CPU存放器存放到该任务堆栈中，然后再从另一个任务堆栈中恢复原来的工作存放器，继续运行另一个任务。根据各个控制功能
9、和微控制器的资源构造对任务进展划分，共划分为7个应用任务，其划分经过如图7所示。无线串行通信采用中断接收方式，保证数据接收的实时性。C/OS一任务的建立包括定义任务堆栈、设定任务优先级、初始化该任务要求的系统硬件及实现详细的控制经过等4局部。现以任务1为例，介绍应用任务的建立经过。在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序，可使程序的设计和扩展变得容易，而且无需大的改动即可增加新的功能。通过将应用程序分割成假设干独立的任务模块，可大大简化应用程序的设计经过;而且能快速、可靠地对实时性要求苛刻的事件。通过有效的系统效劳、嵌入式实时操作系统，能使系统资源得到更好的利用。4调试运行在机器人控制系统起动时，C/OS一对堆栈空间、各个控制存放器和外设器件的硬件进展初始化，并设定当前各个功能部件的初始状态。在实时机器人系统下，机器人正常启动后，系统实时监视机器人在比赛场上的运行状况，假设出现某一动作或者功能无效那么给出出错信息。正常运行时实时显示机器人在比赛场上的坐标值和动作状态，如图8所示。根据智能机器人的控制要求，设计了基于无线通信的嵌入式机器人控制系统。在软件设计上移植了嵌人式实时操作系统C/OS一。利用光电检测模块和超声波导航模块感悟外部信息，实现了对智能机器人的控制。