文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)10-0026-03
隨著經(jīng)濟發(fā)展的高速化,,人們的生活節(jié)奏也越來越快,,家政機器人DR(Domestic Robot),因能夠代替人完成家政服務工作而受到了更多都市市民的青睞,。目前,,低端DR以單一的輸入功能如清潔功能等重復性作業(yè)為主,缺乏與用戶的交互,;高端DR雖然功能完善,,但是價格昂貴,不易為普遍用戶接受,。本文設計的系統(tǒng)是通過上位機的路線繪制程序與用戶進行交互,,以低成本便捷的方式實現(xiàn)對DR的室內定位控制(Indoor Positioning Control),具有很好的實用性,。
1 系統(tǒng)結構
系統(tǒng)整體構架分為上位機信息發(fā)送系統(tǒng)和機器人子系統(tǒng)兩個部分,。上位機端采用VB編寫的繪制路線程序作為可視控制平臺,實現(xiàn)房屋布局圖載入,、行進路線繪制,、坐標提取、路線信息計算與無線傳輸?shù)裙δ?。機器人處理子系統(tǒng)采用FPGA芯片作為核心處理器,,結合SoPC技術和Verilog硬件描述語言以完成對FPGA芯片的配置、Nios II軟核實現(xiàn)路線信息的無線接收,、提取路線信息,。使用Verilog硬件描述語言搭建電機和舵機的PWM控制模塊,控制電機與舵機配合,完成路線的行駛,。其系統(tǒng)框圖如圖1所示,。
2.1.2 串口無線模塊
PC機路線繪制程序將信息打包通過串口傳輸?shù)綗o線模塊CC1100-232后發(fā)送出去,。CC1100是TI公司的高性能無線通信芯片,采用串口工作方式,,可以工作在433 MHz/868 MHz/915 MHz公用頻段,,串口速率為1.2 Kb/s~38.4 Kb/s。在無線傳感器,、家庭自動化,、機器人控制等領域有著廣泛的應用。
2.2 機器人子系統(tǒng)
機器人子系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)路線信息的接收與執(zhí)行,,由FPGA處理器,、CC1100-232無線模塊、機器人模型組成,。
2.2.1 機器人模型
微元路線的準確實現(xiàn)需要機器人根據(jù)路線信息準確地行走,,機器人模型設計的關鍵在于行進部分的設計,本系統(tǒng)的機器人行進部分由兩個從動輪,、一個帶碼盤的驅動輪,、光電對管TCRT5000和電機模組組成。驅動輪的電機模組分為130電機和5010舵機兩部分,,電機與舵機安裝于驅動輪上,,電機帶動驅動輪轉動,,舵機帶動驅動輪旋轉,。PWM波可以控制電機、舵機轉動,,調節(jié)PWM波的占空比可以改變電機轉速和舵機的轉動角度,。在驅動輪上帶有碼盤和光電對管TCRT5000,兩者結合可以準確地記錄驅動輪轉動了多少碼格,。
機器人的行進方式有兩種:(1)舵機偏轉為0°時,,電機作用驅動輪,機器人直線行駛,;(2)舵機偏轉90°時,,電機作用驅動輪,機器人繞幾何中心點轉動,,如圖4所示,。
每次微元的路線機器人的執(zhí)行方式都是舵機擺至90°,電機驅動輪行進使機器人繞中心點轉動相應轉角,,然后舵機擺正,,電機驅動機器人行走微元路線相應的距離。
2.2.2 FPGA控制模塊
系統(tǒng)采用Altera Cyclone III EP3C16 FPGA芯片,,Verilog硬件描述語言完成復雜的數(shù)字系統(tǒng)設計,。Altera公司的SoPC技術可自定義IP核配置NIOS軟核,可定制性高[1]。通過軟硬件協(xié)同設計使整個系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)更加靈活與高效,。
本系統(tǒng)使用Nios II系統(tǒng)通過C語言編寫UART串口模塊程序,,與串口無線模塊CC1100-232進行通信提取路線信息,控制PIO口進行相應的中斷檢測與中斷服務,。軟件設計的整個流程可以在Nios IDE環(huán)境中完成,。在Nios II系統(tǒng)開發(fā)過程中,使用寄存器操作方式訪問PIO口[2]:即定義一個寄存器結構體,,然后通過訪問結構體元素的方式讀寫PIO口數(shù)據(jù),,如圖5所示。
使用Verilog語言搭建電機與舵機的控制模塊以及光電對管的計數(shù)模塊,,如圖6所示,。圖中,電機部分:cp50m為50 MHz時鐘輸入端,;jian為光電對管檢測輸入端,,內部計數(shù)器完成對它的計數(shù);en為參數(shù)設置使能,;len[15..0]為計數(shù)預設定值,,由Nios II軟核根據(jù)路線信息計算得出參考值;dir為電機轉向控制輸入端,,根據(jù)輸入控制信號ctrl1,、ctrl2完成對電機控制。pwm輸出信號實現(xiàn)電機轉速控制,,finish信號負責動作執(zhí)行完畢后向Nios II軟核發(fā)送完成信息,。舵機部分:為了方便控制舵機只需要旋轉0°或90°即可,控制時通過pulse輸出端輸出周期為20 ms,、高電平為0.5 ms的PWM波,,舵機轉向即為0°;輸出周期 20 ms,,高電平為1.5 ms的PWM波,, 舵機轉向即為90°。舵機轉向由dir控制,。
通過Nios II系統(tǒng)與電機舵機控制模塊完成對FPGA核心處理器的配置后,,整個系統(tǒng)搭建完畢,F(xiàn)PGA控制器框圖如圖7所示,。
2.2.3 機器人子系統(tǒng)路線信息執(zhí)行過程
機器人子系統(tǒng)執(zhí)行時,,串口無線模塊CC1100-232接收由發(fā)射端傳遞的路線信息,數(shù)據(jù)接收完成后相應信號管腳置高,。Nios II系統(tǒng)相應的IO口檢測后產生中斷,,啟動中斷函數(shù),,通過串口讀取接收模塊信息(接收信息包含路線的長度和轉角兩部分內容)。
驅動輪的直徑為5 cm,,驅動輪上碼盤的碼格數(shù)為100個,,設計數(shù)值為x1,則其行進距離L為:
若機器人按照式(1)直行某確定距離L,,應根據(jù)式(4)設置好相應的計數(shù)值x1,;若使機器人旋轉某個角度θ,應根據(jù)式(5)設置好相應的計數(shù)值x2,。
分析設定好光電計數(shù)器的預設定值后就可以啟動機器人行進,。首先是轉角,舵機偏轉90°后,,Nios II系統(tǒng)將轉角預設定值x2傳給電機模塊len[15..0],,然后驅動電機轉動讓機器人旋轉,驅動輪轉動時碼盤的遮光部分使光電對管斷開檢測管腳為0,,透光部分使光電對管正常工作檢測管腳為1,,計數(shù)器對檢測管腳的脈沖計數(shù)。當計數(shù)值與預設值相等時,,機器人轉角完成,,此時finish信號置高,Nios II系統(tǒng)檢測到此信號后就會控制舵機模塊使舵機擺正,,接著加載距離信息的預設值x1,,進行直線行進,執(zhí)行完畢后機器人系統(tǒng)進入等待下一次路線信息接收狀態(tài),。
本文闡述了一種采用繪圖板上位機實現(xiàn)的可視化家政機器人控制方法,。利用FPGA配置靈活性的特點,,結合Altera公司的SoPC技術,,使整個系統(tǒng)軟硬件協(xié)調配合完成信息傳遞和處理。位置可視化的優(yōu)勢在于可更方便地讓使用者對DR進行實時的調度,,以更加人性化的方式方便了行動不便的使用者,。本方法以其易于實現(xiàn)和控制的特點為家政機器人定位系統(tǒng)提供了一個有效可行的方案。
參考文獻
[1] 赫建國,,倪德克,,鄭燕.基于Nios II內核的FPGA電路系統(tǒng)設計.第1版[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:110-142.
[2] 周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎教程.第1版[M].北京:北京航空航天大學出版社,,2006:194-218.