智能移动机器人实验平台设计白博

1、0引言目前,随着工业控制、视频技术以及智能化产品的发展,围绕机器人开展的各类学科的研究正是大学科研的热点。一套完整的智能机器人系统则是进行此类研究和实验的必要条件。本文给出了一套完整的以笔记本电脑和ARM处理器为核心的智能移动机器人实验平台的设计方案,并介绍了硬件和软件的解决方案和实施过程。该系统结合了PC的通用性和嵌入式系统的稳定性、专业性,涉及多种硬件接口以及操作系统,形成了一套较完整的解决方案。1实验平台的总体设计设计目标是提供一个开放的、实时的、高可靠性、高效率的移动机器人实验平台。在该平台上,开发人员经过培训学习,可以方便的进行各种相关学科领域(如图像处理、智能控制、模式识别等的实验

2、和算法的仿真及实现。这些实验包括:单桢及序列图像处理、语音识别、路经规划、智能蔽障等等。平台的层次可划分为:1硬件底层是由机器人主体、PC、嵌入式处理器以及外围电路模块共同构成的一个完整硬件平台;2硬件测试程序层。提供了PC、嵌入式处理器所有外接设备资源的测试程序;3实时操作系统。采用的是Windows XP+ RTX实时内核以及嵌入式实时操作系统uC/OS-II;4机器人应用程序接口以及示例程序。平台的功能分为以下5个部分:1运动控制。机器人在平整地形环境中,可精确执行前进、后退、刹车、转弯等动作,以及对摄像头云台的运动控制;2图像获取。获取图像信息,完成视频制式的选择,保存单帧图像,亮度、

3、对比度、饱和度、色度的调整,视频翻转,动态采集等等;3测距蔽障。为了避免机器人碰撞并完成蔽障运动,采用超声波传感器实时向机器人提供测距蔽障信息;4其他传感信息采集。可采集GPS定位信息、罗盘方向信息、温度传感器等等;5信息智能处理。这是智能机器人的核心部分,它汇总所有信息,并对信息进行处理,再下达给执行机构,完成智能任务。为了实现以上所述的功能,并满足实时性要求,智能移动机器人的核心控制部分采用了如下的设计方案:硬件方面:采用了“笔记本电脑+ARM嵌入式处理器”的双处理器协同工作的架构。其中,笔记本电脑主要负责部分传感器数据的采集以及对图像数据的处理、决策;嵌入式处理器及其外设则主要负责完成平

4、台运动控制、部分传感器数据采集等任务。这二者是通过RS232来进行数据智能移动机器人实验平台设计白博,郭宝龙(西安电子科技大学机电工程学院ICIE研究所,陕西西安710071摘要:以开放式、平台化为设计指导思想,设计了一个以笔记本电脑和ARM处理器为核心的智能移动机器人实验系统,并对平台的硬件实现和软件设计做了相应的分析和介绍。在该平台上可以进行相关学科领域(如图像处理、智能控制、模式识别等的实验,并可对其算法进行仿真。关键词:智能机器人;嵌入式;uC/OS-II;ARM处理器收稿日期:2006-09-18Electronic Component &Device Application

5、sJan.2007 2007年1月图1机器人系统框图和控制信号的通信。图1所示为该智能机器人的系统框图。软件方面:PC 机采用Windows XP 操作系统。为了满足实时性要求,采用了硬实时内核技术RTX 。RTX 是基于Windows 的实时方案,RTX 使用笔记本电脑通用的Intel X86硬件,结合Win32API 的编程方法,通过剥夺处理器任务的优先权,可实现微秒级的实时控制和数据采集,即实现“硬实时”,从而满足机器人控制和采集任务的实时性要求1-2。在Windows 环境中使用Microsoft VisualC+6.0作为应用程序的开发和界面设计软件。ARM 处理器采用uC/OS-I

6、I 嵌入式多任务操作系统。uC/OS-II 是一款为实时控制系统而设计的多任务实时操作系统,也称为RTOS 。uC/OS-II 提供了嵌入式操作系统的基本功能,其核心代码短小精悍,针对硬件进行优化后可以产生很高的执行效率。该操作系统可同时管理64个任务,采用抢占式实时调度策略,具有很强的实时性3。2硬件详细设计描述2.1机器人机械结构机器人主体为铝合金材料,由方形薄板和立体框架组成。箱内以及底部后方两侧设置了动力装置,具体包括伺服放大器、直流电机、编码器、减速箱及车轮。箱底前方两侧设置有两个万向轮作为支撑轮。2.2笔记本电脑及其周边模块采用DELL 公司的Inspiron !1300笔记本电脑

7、, 其配置为英特尔!奔腾!M 处理器(主频1.6GHz、1M 内存、30G 硬盘、USB2.0接口。所有串口设备通过USB 转RS232转接头进行连接。笔记本电脑周边模块包括:1视频采集、云台控制。采用SONY EVI-D100P 云台摄像头作为视觉传感器,通过MV-USB2820图像采集盒将视频数据通过USB2.0接口采集到笔记本电脑,并进行处理。笔记本电脑通过RS232串口可控制云台摄像头的各种操作,包括变焦、水平、垂直旋转等;2GPS 定位。GPS 接收机可采集经纬度、UTC 时间、海拔高度等信息。GPS 接收机与笔记本电脑通过RS232电缆以NMEA 0183标准格式通过串口发送GPS

8、 信息;3罗盘信息采集。电子罗盘可采集方向、倾斜度、翻滚度、温度等信息。并与笔记本电脑通过RS232电缆进行通信。2.3ARM 板及外围电路ARM 板的处理器选用Samsung (三星的S3C44B0,这是一款性价比很高的ARMCore SOC 。S3C44B0配置有2.5vARM7TDMI 内核、8kCACHE 、外部存储器控制器、LCD 控制器、2通道UART 、I 2C 、5个PWM 定时器、1通道内部定时器、看门狗定时器、71个通用I/O 口、8通道外部中断源、8通道10位ADC 、具有日历功能的RTC 、具有PLL 的片上时钟发生器。另外,S3C44B0还设计有16MB SDRAM

9、和2MB Flash Memory 以及12Bit 的串行DA TLV5638,并同时提供多个外部接口,如:10/100Mbps 以太网接口、RS2232接口、LCD 接口、JTAG 调试接口等。(1运动控制部分智能机器人的运动部分由ARM 控制器、D/A 、运放以及运动执行机构组成。图2为运动控制单元的原理框图。图中的TLV5638为串行12BitDAC ,其串行输入、片选信号均与ARM 的GPIO连接,通信时序如图3所示。ARM 通过GPIO 口模拟串行时序,来控制TLV5638。TLV5638的输出电压通过两级运放,可产生-5+5V 的控制电压,并作为驱动信号传递给运动执行机构。运动执行

10、机构由直流伺服放大器、直流电图2运动控制单元框图 机、数字编码器及车轮组成。直流伺服放大器供电电压V C C 表达式为:V CC =U N n 0n B +n M M B !"10.9+2V(1由上式可知,V C C 是由电机运行扭矩M B 、运行转速n B 、电机额定电压U N 、空载转速n 0、转速扭矩比n M等参数来确定的。(2超声测距单元超声测距单元采用渡越时间法4作为测距原理,有:D=ct/2(2ARM 向I /O 端口发出控制信号,以启动内部定时器进行计时。此控制信号经功率放大后可作为超声传感驱动电路的启动信号(1NIT,由超声传感器产生的遇到障碍物时返回的高频振荡信号经

11、放大(为弥补传播过程中信号的衰减可使超声传感驱动电路的ECHO 端产生高电平脉冲。E-CHO 电平的变化经过门电路后会引起ARM 外部中断,在中断程序内可获取定时器的计数值,并根据公式(2计算出距离;否则,认为传感器前方探测范围内无障碍物。测量距离约为25cm8m ,测量精度为±4cm 。3系统软件设计3.1笔记本电脑部分笔记本软件设计采用图4的函数架构。系统符号用RobotSystem 表示,主要用于管理设备、流程以及系统参数。具体包括设备的数据传递、设备的建立、设备的同步、内存管理等。设备接口库的设计应面向接口,而不是面向实现。这样做有利于应用程序的编写、修改以及维护。系统的“设

12、备”包括运动设备、图像采集设备、图像处理设备、超声测距设备、音频采集设备、精确定位设备(GPS 、罗盘等。各设备通过暴露自己的接口来开放自己可实现的功能。以下是各设备接口头文件:#include "RobotMotion.h":运动接口;#include "RobotSound.h":声音采集及播放接口;#include "RobotImageCapture.h":图象采集接口;#include "RobotSensor.h":声纳测距、PSD测距接口;#include "RobotImageProces

13、s.h":图象处理接口;#include "RobotPeriphery.h":串口通讯、数字罗盘、GPS 、云台等设备的接口;设备在创建和使用过程中要注意以下几点:设备的生存周期、参数设置、状态轮转、数据流管理、设备功能的扩展机制等。3.2嵌入式处理器部分(1操作系统的移植ARM 板上采用uC/OS-II 操作系统,首先应针对硬件平台进行uC/OS-II 的移植。uC/OS-II 在S3C44B0的移植工作在很多文献都有相关说明5,这里就不再介绍了。(2硬件驱动层扩展在硬件之上,必须有驱动程序来实现对硬件的基本操作。底层驱动程序使用汇编或C 语言编写,主要功能是

14、实现硬件初始化和释放硬件,并把数据从内核传到硬件和从硬件读取数据。同时,还必须将对某个硬件进行的某项操作的代码封装成函数,以供上层的程序调用。在该移动机器人控制系统中,底层驱动程序主要是完成通讯接口、运动控制器驱动、避障检测传感器等外设驱动函数的编写。(3应用程序代码的编写在编写应用代码之前,必需根据自己的应用系统对内核进行一些配置(OS_CFG.H。如:确定是否允许使用统计任务(OS_TASK_STAT_EN、图3TLV5638的通信时序图4软件系统结构图Electronic Component &Device ApplicationsJan.2007 2007年1月设定最大任务数(

15、OS_MAX_TASKS、设定总任务数(OS_LOWEST_PRIO、定制信号量(OSSem-Creat和邮箱(OSMboxCreate服务等,另外还需在INCLUDES.H 系统头文件中包含用户头文件。多任务的启动是通过在主函数main 中调用OSStart (来实现的。调用OSStart (后,先从任务就绪表中找到优先级最高的任务控制块,再启动高优先级任务启动函数OSStartHighRdy (,然后启动多任务内核。在主程序main (中我们需要做的是:调用OSInit (,对有关变量初始化,创建任务,调用OSStart (,进入实时多任务环境,同时启动时间节拍定时器,调度任务就绪表中优先

16、级最高的任务转入运行,获得CPU ,运行开始。程序结构如下:Main (voidOSInit (;/*Initialize uC/OS-II */OSTaskCreate (Task1,(void *&Id1,(void*&Stack1STACKSIZE -1,1;OSStart (;/*Start multitask */基于uC/OS-II 操作系统内核的应用代码编程,主要就是对各个任务进行编程。在移动机器人控制系统中,根据以上介绍的移动机器人基本控制功能,OSTaskCreate 创建了7个任务:主控任务;驱动电机控制任务;通信任务;避障检测与控制;系统检测和报警;防撞与

17、刹车任务;时钟任务。同时还包括两个系统任务即空闲任务I-DLE_TASK 和统计任务STAT_TASK 。其中,时钟任务优先级最高,它是一个超级任务,主要用来对其他任务(在每个任务中设置超时函数进行监控。在OSTimeTickhook (函数中预设一段时间,通过与任务中的超时函数比较,可避免程序跑飞或陷入死循环,并能防止系统因为个别任务内部出现问题而导致系统全面崩溃,从而提高了系统的可靠性;作为紧急任务的防撞与刹车任务的优先级其次,该任务是个非周期任务,通过中断的方式用信号量就绪该任务,使其能迅速得到运行,实现刹车制动功能,以提高移动机器人的交通安全性。任务函数代码的结构如下:Void You

18、rTask (Void *Idfor (;执行用户代码;OSMboxPend (;/*uC/OS-II 系统调用*/OSQPend (;OSSemPend (;OSTaskDel (OS_PRIO_SELF;OSTaskSuspend (OS_PRIO_SELF;OSTimeDly (;各个任务的工作单元和数据都用堆栈来实现,每个任务都有自己的任务堆栈区,其大小也可以根据实际应用和RAM 的容量在程序中自行设定。4结束语本文以笔记本电脑和ARM 处理器为核心设计了一套智能移动机器人实验平台,该平台结构清晰,有较强的通用性和扩展性。在此平台之上通过编程可进行各种实验以及算法仿真。其软硬件结构对同类智能产品的开发也具有借鉴意义。参考文献1张广立,付莹,杨汝清,等.基于Windows NT 的开放式机器人实时控制系统J.上海交通大学学报,2003,37(5:724-728.2迟永琳,明良玉,吴祖育,等.基于Window NT 和Linux 的开放式数控系统J.上海交通大学学