移動機器人平臺及控制系統的設計與實現

程勇

摘 要：智能移動機器人的研究分屬機器人技術研究領域，橫跨計算機、電子等多學科。近年來，出現了許多有關對移動機器人的研究，已經涉及到物料傳輸，極度環境下的自助作業等涉及到移動機器人的行業和領域。本文主要就移動機器人控制系統控制結構和設計方法加以分析，然后對超聲波傳感器環系統設計及移動機器人底層控制系統設計詳細探究。

關鍵詞：智能移動；機器人平臺；導航技術

移動智能機器人的研究方向主要包括在視覺、超聲、紅外等傳感器的基礎上，盡量建立富含動態環境模型的多傳感器融合策略。但是對于移動智能機器人的研究確實需要完整開放性的實驗平臺。因此對于能夠服務工作與生活領域的移動智能機器人的研究具有較高的研究價值。

1移動機器人控制系統控制結構和設計方法分析

1.1移動機器人控制系統控制結構分析

早期的移動機器人由于自主能力較差，往往采用單CPU或者二級CPU主從控制結構。

1.1.1單CPU集中控制結構

所謂單CPU集中控制結構即是指用一臺功能全面且較強的計算機來實現全部的控制功能。但不容置否的是由于多種運算只依靠一個計算機來控制，控制過程中涉及許多計算公式，所以說單CPU集中控制的結構速度還是比較慢的。

1.1.2二級CPU結構，主從式控制結構

這種方法通過把一級CPU作為主機來擔當系統管理的接口功能，與此同時把一級CPU的公用內存來作為二級CPU讀取，這樣一來就可以全部所有的關鍵位置的數字控制功能。但是這兩個CPU總線之間是沒有直接關系的，運轉過程中僅通過公用內存交換數據。

隨著人們對機器人技術的深入研究，機器人的智能性要求也越來越高。20世紀80年代智能控制領域著名學者Saridis提出三層分層式體系結構。分層式體系結構是一種以認知系統為基礎的人工智能模型，能夠提供一種良好智能系統的控制方式和結構，按照此體系結構設計的上下位機二級分布式結構的機器人具有較高的智能性。國外以CMU的NavLab系統和Rover系統為典型代表。博創公司生產的UP-VOYAGERII為國內此類移動機器人平臺的典型代表。在此體系結構下，從信息流上看是串聯關系，系統的控制行為都必須通過感知、規劃、執行等模塊。導致控制行為的延遲和較差的實時性。而機器人在實際工作環境有可能是動態，復雜，非結構化的，要求較高的實時性。當機器人遇到突發障礙物時，可能造成避障失敗。

1.2移動機器人控制系統控制結構設計方法分析

為了使系統具有開放性，易于修改、重構和添加，本系統采用模塊化的設計。共包括三大模塊，各模塊之間通過CAN總線進行通訊。由于CAN總線只規定了物理層和數據鏈路層的協議，并未規定應用層協議，為了使得平臺具有更好的開放性，采用國際標準SDS應用層協議，經過實驗證明SDS協議能夠實現基于混合式體系結構的思想。

超聲測距模塊：8個超聲波傳感器組成1800探測范圍的超聲波環，由8位單片機AT89s52控制超聲波的收發，實現障礙物信息的采集。超聲波環的探測范圍為2cm～3m，能夠實現近距離障礙物的探測。

電機控制模塊：用基于ARM7內核的32位單片機LPC2292作為核心控制器，實現對電機的閉環控制。能直接從超聲測距模塊讀取數據，實現基于行為體系結構的反應式避障。接受規劃層的命令實現基于分層式體系結構智能行為。

筆記本：完成移動機器人視覺定位，地圖建立，路徑規劃等高級智能行為。

2超聲波傳感器環系統設計及移動機器人底層控制系統設計

2.1超聲波傳感器環系統設計分析

為了保證系統的穩定性，CAN控制器和單片機的復位信號由專用的復位芯片MAX708SESA提供。該芯片提供低電平復位和高電平復位兩種復位信號。低電平復位用于單片機和8155復位。高電平復位用于CAN控制器復位。8155只作為IO口擴展用，端子IO/M接VCC。超聲波傳感器的驅動信號為2～5us脈沖，這里通過單片機的IO口P1口來產生驅動信號。8個超聲波傳感器采用分組循環發射的方式啟動超聲波，一次同時驅動四個超聲波傳感器。如果分別采集四路回波信號，實時性難以保證。本系統通過或門電路將四路回波信號整合成一路回波信號，通過外部中斷0通知CPU。外部中斷采用電平觸發方式。傳感器系統的程序包括兩部分，一是驅動超聲波傳感器，并獲得相應的障礙物距離信息。二是通過CAN總線與其它模塊進行通信。

2.2移動機器人底層控制系統設計

與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性。ARM本身是32位處理器，集成了16位的Thumb指令集。這使得ARM可以代替16位的處理器如96系列單片機使用，同時具有32位處理器速度。ARM嵌入式系統以其優良的性能，良好的移植性，廣泛應用在各個行業。用單片機和DSP實現的系統，采用ARM處理器同樣也可以實現。本文嘗試用菲利普公司生產的基于ARM7內核的LPC2292芯片為底層控制系統的核心芯片。設計一種基于ARM車載嵌入式系統。根據移動機器人總體設計方案，底層控制系統需要具備讀取超聲波傳感器數據實現基于行為的避障。接收規劃層的命令控制移動機器人。對移動機器人實現閉環控制。甚至直接在底層控制系統實現地圖建立，路徑規劃，所以底層控制系統必須具備如下基本模塊：電機調速D/A模塊、光電旋轉編碼器信息采集模塊、通信模塊。

3結語

綜上所述，本文參考中科院CASIA移動機器人設計方案，提出一種基于混合式體系結構的分布式控制系統設計方案，實現了超聲導航移動機器人的軟硬件設計。并在所設計的平臺上研究了在室內環境中如何利用多超聲波傳感器的信息建立環境地圖。希望通過此次理論研究對實際發展起到促進作用。

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