基于ARM的嵌入式服務機器人控制器的研究
摘要： 服務機器人控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞，決定著機器人能否按照用戶要求順利地完成相應工作任務?；?ARM和嵌入式μC／OS-Ⅱ的服務機器人控制系統(tǒng)可廣泛應用于服務型機器人,。這必將開發(fā)出低成本、低功耗,、體積小巧,、實時性強、可靠性高,、接口豐富,、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,，從而推進我國機器人行業(yè)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,。
Abstract：
Key words :
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?；诖?，這里提出一種基于ARM的嵌入式服務機器人控制系統(tǒng)設計。該服務機器人的控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞,，因而其設計是機器人研究的核心,。該控制系統(tǒng)通常以MCU、 DSP等為核心,，采用上,、下位機二級分布式結構。其中上位機一般為PC機,，下位機為單片機或DSP等微控制器,。但隨著移動機器人的智能化，控制方法的發(fā)展,，所需計算量增大,，一般的單片機等處理器很難完成控制要求。而基于arm的嵌入式服務機器人的控制器采用分層與模塊化結構,，充分體現(xiàn)可擴展性,、可移植性的設計原則．同時具有低成本、低功耗,、體積小巧,、可靠性高、智能化高以及通用性等特點,。
2 系統(tǒng)整體結構設計
圖1為嵌入式控制系統(tǒng)的軟硬件層次結構,。
嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎,，軟,、硬件可剪裁，適用于應用系統(tǒng),，對功能,、可靠性、成本,、體積,，功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)總體可劃分為硬件和軟件兩部分,。硬件由微處理器和外圍的接口電路組成,，同時還包括傳感器及驅(qū)動器接口和被控對象(機械裝置),；而軟件一般由實時操作系統(tǒng)及其運行的應用軟件構成。其應用軟件的功能層由基于RTOS的應用程序組成,，用來控制被控對象,。
3 系統(tǒng)硬件設計
服務機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺設計至關重要。首先它是用戶控制邏輯的具體執(zhí)行者,，服務機器人的各種控制功能必須通過硬件實現(xiàn),；其次它也是實時控制系統(tǒng)軟件移植和運行的硬件環(huán)境。這里采用部件模塊化,，接口標準化,，互換性、擴展性好,，可靠性高的硬件設計原則,。
服務機器人控制系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)控制服務機器人的導航、啟動,、停車、運行控制,、路徑規(guī)劃,、安全監(jiān)控、遠程控制計算機通訊及語音識別等功能,。該控制系統(tǒng)主要由主控,、導引、驅(qū)動,、通訊,、安全與輔助、語音識別,、液晶觸摸屏以及電源管理等單元組成,。圖2為其功能結構框圖。
嵌入式處理器是整個硬件系統(tǒng)的核心元件,，其性能好壞直接決定整個系統(tǒng)的運行效果,，所提供功能的強弱直接決定嵌入式應用的適應范圍和開發(fā)復雜度。嵌入式處理器一般具備以下特點：支持實時多任務操作系統(tǒng),；具有強存儲區(qū)保護功能,；處理器結構可擴展；功耗低,。圖3為基于arm9的嵌入式系統(tǒng)的服務機器從主控制器模塊結構,。
選用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務機器人的控制CPU，在嵌入式系統(tǒng)μC／OS-II下實現(xiàn)機器人控制,。S3C2410處理器采用 arm920T內(nèi)核,，5級流水線指令結構,，片內(nèi)鎖相環(huán)，內(nèi)部時鐘可達200 MHz,，因此可用來進行復雜控制算法,，提高控制精度。S3C2410有117個I／O口和24個外部中斷源,，內(nèi)部具有豐富的接口控制器,，如：USB控制器、DMA控制器,、UART控制器,、I2C控制器等，這樣可簡化外圍電路,，同時其內(nèi)部時鐘可達200 MHz,，高性能指令集及可與C語言交叉匯編使其能完成復雜運算，提高服務機器人控制的實時性,。
arm處理器模塊通過兩個RS-232串口分別與傳感器模塊,、伺服控制模塊連接，RS-232串口均丁作在中斷模式下,，以保證系統(tǒng)的實時性,。伺服控制模塊與傳感器模塊均基于TI公司的TMS320LF2407型DSP，伺服模塊可同時控制4路直流伺服電機,，傳感器模塊可接24路超聲傳感器和24路紅外傳感器,，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(nèi)置有液晶控制器，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,，這里選用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,，用于檢測屏幕觸摸輸入信息,，有利于提高人機交互的友好性；而語音識別南凌陽公司的SPCE061A完成,，該器件是一個16位結構的高集成的微控制器,，內(nèi)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(nèi)積運算指令,，CPU時鐘最高可達49 MHz,。系統(tǒng)支持10個中斷向量及14個中斷源，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，配置帶自動增益控制功能(AGC)的麥克風輸入方式,，為語音處理帶來極大便利,。圖4為語音識別模塊硬件結構。
4 系統(tǒng)軟件設計
軟件設計的基本原則是：軟件結構化,、驅(qū)動標準化,、系統(tǒng)可定制。服務機器人的控制器關鍵要保證系統(tǒng)的實時性,。采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng),，其具有結構簡單、容易移植,、源代碼公開等優(yōu)點,。使用μC／OS-II實時操作系統(tǒng)開發(fā)服務機器人控制軟件就是將整個控制軟件的功能劃分為若干任務，分別加以實現(xiàn),，并以任務問通信方式實現(xiàn)各個任務間的邏輯關系,。整個軟件控制體系結構如圖5所示。
5 實驗研究
在搭建機器人軟硬件平臺及編寫與硬件相關的底層函數(shù)后,，在該實時內(nèi)核上編寫接口驅(qū)動程序及機器人應用程序。通過軟硬件整體測試后,，將該機器人控制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(wěn)定,，轉向靈活,，變速平穩(wěn)；能及時識別并躲避障礙物,；機器人視頻傳輸畫面流暢,；語音人機交互功能，由麥克風將聲音傳給語音處理器,，通過硬件處理識別語音信號,，然后再經(jīng)南喇叭播放機器人的對答聲音。實現(xiàn)人機對話,。同時該服務機器人控制系統(tǒng)結構簡單,，電路體積小，有利于安裝與維護,。
服務機器人控制系統(tǒng)是機器人的神經(jīng)中樞,，決定著機器人能否按照用戶要求順利地完成相應工作任務,。基于 ARM和嵌入式μC/OS-Ⅱ的服務機器人控制系統(tǒng)可廣泛應用于服務型機器人,。這必將開發(fā)出低成本,、低功耗、體積小巧,、實時性強,、可靠性高、接口豐富,、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,，從而推進我國機器人行業(yè)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,。
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