基于分布式的移動機器人控制系統設計與實現

周邵云，丁 昊，國 正（合肥工業大學宣城校區機械工程系，安徽宣城，242000）

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基于分布式的移動機器人控制系統設計與實現

周邵云，丁 昊，國 正
（合肥工業大學宣城校區機械工程系，安徽宣城，242000）

摘要：移動機器人是近年來研究的熱點，針對機器人系統自由度多，可靠性和實時性要求高的特點，提出了一種基于分布式的移動機器人控制系統。利用多借點連接方式的網絡拓撲機構，將其他設備和多個機器人連接組成機器人控制系統，以控制芯片ARM Cortex-A9和STM32F407為基礎，將開源操作系統植入到開源嵌入式系統中，設計分布式上位機控制軟件和下拉機程序，設計了基于分布式的移動機器人控制系統的搭建，實現對分布式移動機器人的控制。該分布式移動機器人軟硬件開源、性能高、成本低、具有很好的可擴展性、實時性和穩定性。

關鍵詞：分布式；移動機器人；控制系統；設計與實現

1　移動機器人控制系統硬件設計

本文采用兩級主從分布控制設計移動機器人，通過模塊化思想實現系統的多模塊劃分，每個模塊具有獨立的MCU和自治能力，具有較強的主控能力，從而實現移動機器人的分布式控制系統。采用基于分布式的移動機器人控制系統，具有易維護性、靈活性和可擴展性的優點。根據優點機器人的層次體系結構和功能設計要求，采用兩級主從分布式控制方式，將整個系統進行細分，可分為主控系統、運動控制系統和信息采集系統三個子系統。

1.1主控系統

主控系統用來實現規劃、決策和人機交互功能，通過 CAN總線通信接口來協調和控制各個子模塊系統。選用ARM Cortex-A9開發板為主控系統核心板，可以構建嵌入式Linux系統，擴展其他功能模塊，減少開發成本和周期。ARM Cortex-A9開發板具有JTAG、USB Host接口和串口等，方便與PC進行通信，實現交叉開發調試，提供的LCD接口，可以驅動7寸的觸摸板液晶屏，實現人機互動。采用帶矩陣鍵盤矩陣的鍵盤管理芯片CH451，提供終端輸出和低功耗睡眠，支持8x8矩陣鍵盤掃描，節約I/O口資源，MCU只需要控制兩根信號線。

1.2運動控制系統

運動控制系統用來驅動車體和執行運動任務實現直行、退后、原地轉和差速轉向。又低下頭采用STM32F407開發板，該開發板具有128KB的閃存、8K RAM、USB接口、12位ADC、定時器等，叫其他傳統的微處理器來說，效率和功率都得到了較大的提升。STM32F407開發板提供了較多的I/O口和OLED連接顯示信息，和多個I/O口中斷口和各類采集環境信息，提供了SPI接口與CAN中線模塊進行首發數據，提供了多個定時器，可以產生PWM對電機進行驅動。

1.3信息采集系統

信息采集系統用來感知環境信息，為主控系統提供當前周圍的環境信息。信息采集系統統一采用STM32F407作為系統核心，其中包括超聲波、紅外線和加速器等傳感器，是系統閉環控制的重要組成部分。通過CAN總線通訊方式，可以接收系統自主控制命令和數據，同時對采集的信息進行分析處理。

2　移動機器人控制系統軟件設計

移動機器人控制系統軟件是該系統平臺的核心，其直接關系到移動機器人運動的實時性、穩定性和魯棒性。控制系統軟件設計基于嵌入式Linux平臺，機器人主機通過TCP/IP協議實現上位機與下位機之間的通信，PC機與機器人主機通過局域網實現連接，通過運行節點進行點對點之間的通信，實現遠程控制。下位機通過對協議棧的移植，接收并分析上位機的數據報，從而實現對電機的控制。

2.1系統上位機軟件設計

移動機器人通過上位機來計算移動機器人的位姿、里程和各個電機的轉速等信息，裝有嵌入式Linux系統的PC機用于人機之間的交互，機器人主機使用基于Linux內核的嵌入式操作系統Ubuntu14.10，將base移植到嵌入式系統中去，完成對移動機器人的運動控制，移動機器人所有的節點都分布于PC機和機器人主機上，機器人主機與PC機之間采用點對點的通訊模式。

機器人主機上的節點主要用于對數據的采集和對計算機運動的控制，controller用于PC機節點發布運動命令，控制運動機器人的運動，轉換/odom坐標和/base_link坐標間的關系轉換，同時發布移動機器人的里程信息。Feedback_data用于手機下位機所發布的錯誤信息和速度信息并處理這些信息，然后將處理后的信息發布到/joint_states主題上。Robot_ state_publisher用于接收base_controller與joint_states_ publisher發布的信息計算出機器人的坐標信息與狀態并發布。Joint_state_publisher用于發布關節狀態信息。Telop用于人機互動，rviz用于監控移動機器人控制系統上所有節點的狀態和軌跡。機器人主機是上位機的主體部分，是控制系統的核心，用于完成大部分的控制功能。

2.2系統下位機軟件設計

下位機的主要作用是接收并解析上位機發布的指令，從而得到各個車輪的運動指令，并生成對驅動器的控制信號，及時的接收并反饋錯誤信息和速度信息。下位機軟件在STM32F407的基礎上進行開發設計的，主要基于上位機的驅動器信號和控制信號，下位機軟件在將實施嵌入式操作系統內核移植到STM32F407開發板的基礎上，應采取以下操作來保證系統的實時性：

（1）STM32F407通過定時器來獲取輸入，從而得到驅動器反饋的脈沖信號并計數；

（2）STM32F407采用中斷的工作模式，接收并解析上位機指令，產生相應的反饋速度信息和控制信號；

（3）當接收到反饋請求時，網卡將脈沖計數值發送給上位機，入股產生錯誤信號，就關閉STM32F407控制信號輸出，并將錯誤代碼寫入網卡并發送緩存。

3　結束語

本文提出了一種基于分布式的移動機器人控制系統設計與實現方案，詳細闡述了其軟硬件的設計細節及實現。通過對測得的數據分析，設計并經過優化的移動機器人控制系統中，網絡延時對整個移動機器人控制系統的控制過程中影響很小，有效的解決了網絡控制系統中時滯對控制系統性能的影響。該移動機器人基于開源機器人系統而設計，并將嵌入式系統融入其中，具有性能高、成本低、可擴展等特點，為移動機器人的后續設計與實現打下了堅實的基礎。

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Control System Design and realization based distributed mobile robot

Zhou Shaoyun，Ding Hao，Guo Zheng
（Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng Anhui，242000）

Abstract：The mobile robot is the focus in recent years，and more freedom for the robot system，and realtime requirements of high reliability characteristics，is proposed based on distributed mobile robot control system.Multi-point connection by way of the network topology agencies， and other devices connected to form a plurality of robots robot control system for controlling the ARM Cortex-A9 chip and STM32F407 based on the open source operating system implanted in the open source embedded system design distributed PC control software and drop-down program， designed based distributed control system for mobile robot set up to realize the distributed mobile robot control.The open-source distributed mobile robot hardware and software， high performance， low cost，with good scalability，real-time and stability.

Keywords：distributed; mobile robots;control systems;Design and Implementation