基于ARM9和Linux的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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現(xiàn)有智能機(jī)器人用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)一般都是用單片機(jī)或者高速的DSP等進(jìn)行控制，而且同一機(jī)器人往往需用多個(gè)CPU來實(shí)現(xiàn)各自的功能，但隨著對機(jī)器人的智能化要求越來越高，需要一種新的控制器(使用一個(gè)處理器)來滿足機(jī)器人的各種行為要求，例如視頻采集、無線通信。本文介紹的利用ARM實(shí)現(xiàn)的智能機(jī)器人平臺(tái)，為智能機(jī)器人的開發(fā)提供了一個(gè)新方法。平臺(tái)采用的ARM9是基于三星公司的S3C2410處理器，主頻高達(dá)200 MHz，支持藍(lán)牙、觸摸屏以及USBHOST接口，可以傳輸高速圖像。嵌入式Linux系統(tǒng)是一個(gè)多用戶操作系統(tǒng)，它允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問系統(tǒng)而不會(huì)造成用戶之間的相互干擾。另外，Linux系統(tǒng)還支持真正的多用戶編程，一個(gè)用戶可以創(chuàng)建多個(gè)進(jìn)程，并使各個(gè)進(jìn)程協(xié)同工作來滿足用戶的需求。Linux的引入使其他智能模塊都以設(shè)備的形式存在，只有在用戶需要的時(shí)候才調(diào)用相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)從而使數(shù)據(jù)融合更方便，運(yùn)行多任務(wù)也更穩(wěn)定。
利用ARM和嵌人式Linux作為智能機(jī)器人平臺(tái)具有很大的優(yōu)勢，但在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)用該平臺(tái)開發(fā)智能機(jī)器人的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)完成了對該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的初步編寫，并通過實(shí)際驗(yàn)證，取得了良好效果。
1 驅(qū)動(dòng)電路及測速方法
1．1 總體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
本設(shè)計(jì)采用的LMD18200的真值表如表1所列。通過ARM的I／0口(例如D口的DO～3)來控制電機(jī)的工作狀態(tài)。
1．2 測速方法
ARM沒有捕獲外部脈沖的計(jì)數(shù)器，它的定時(shí)器是用來計(jì)算內(nèi)部脈沖的。碼盤輸出信號接外部中斷處理程序(EINTl)并設(shè)置上沿觸發(fā)變量，在中斷中設(shè)置一全局變量i，用i++累加。設(shè)置定時(shí)器timer0，使它O．36 s產(chǎn)生1次內(nèi)部定時(shí)器中斷。當(dāng)一個(gè)定時(shí)器周期完成時(shí)引發(fā)定時(shí)器中斷，在timer0中斷中讀出i的值，即得到O．36 s內(nèi)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)；接著將i清零，為下一個(gè)定時(shí)器周期捕獲脈沖作準(zhǔn)備。此時(shí)timer0自動(dòng)重載，下一次碼盤計(jì)數(shù)開始。
1．3 測量精度分析
智能機(jī)器人選用的光碼盤精度為256線，即256脈沖／轉(zhuǎn)。電機(jī)減速比為1：71，車輪半徑R為6 cm，車輪間距為41．1 cm。車輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)n=71×256=18 176，可以得到每個(gè)脈沖之間的距離d=27πR／n=2×3．14×0．06／18 176=0．207×10-4m，即每個(gè)脈沖對應(yīng)的控制精度達(dá)0．02 mm?？紤]到負(fù)載變化(例如負(fù)載變化車輪變形等機(jī)械誤差)的影響，理論值與實(shí)際值會(huì)出現(xiàn)誤差，因此在控制精度d前乘以一個(gè)修正系數(shù)k。表2為機(jī)器人直線行走的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，k為1．10誤差較小，最接近真實(shí)值，因此該值就是所需的比例系數(shù)。
2 速度調(diào)節(jié)
一般的PID調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差E較大時(shí)(如啟動(dòng)或大幅度提速時(shí))，由于積分的作用會(huì)產(chǎn)生很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)振蕩，因此選用積分分離的方法，開始時(shí)取消積分作用，直到被調(diào)量相差不多時(shí)才引入積分作用。具體步驟如下：
①設(shè)定一個(gè)值a>0，E(m)一R(m)一M(m)，其中R(m)為給定值，M(m)為測量值；
②當(dāng)E(m)≥a時(shí)，采用PD控制，可以避免過大的超調(diào)，又可以使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；
③當(dāng)E(m)≤n，即偏差值E(m)比較小時(shí)，采用PID控制，可以保證系統(tǒng)的精度。
使用積分分離方法后顯著降低了被控變量的超調(diào)量并縮短了過渡時(shí)間，使調(diào)節(jié)性能得到改善。
3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2、圖3、圖4所示。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。它作為應(yīng)用和實(shí)際設(shè)備之間的軟件層，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。對于應(yīng)用程序，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux內(nèi)核的一部分，它實(shí)現(xiàn)以下的功能：對設(shè)備初始化和釋放，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)，讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)，檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用到的結(jié)構(gòu)如下：
設(shè)備打開的時(shí)候就會(huì)調(diào)用dcmotor__open函數(shù)進(jìn)行申請中斷號。帶內(nèi)存管理的單元的地址映射，設(shè)置B端口的2、3引腳為PWM輸出，端口D配置為電機(jī)使能剎車制動(dòng)引腳。
以下所有的函數(shù)都是在ioctl()中實(shí)現(xiàn)的。在Dcmo―tor_Start里調(diào)用timer0_2_3_start()，設(shè)置timer0為接收兩路電機(jī)的碼盤信號，并檢測電機(jī)速度；timer2、timer3提供2路PWM輸出，并設(shè)置定時(shí)器自動(dòng)重載。具體實(shí)現(xiàn)如下：
Select_Speed可以動(dòng)態(tài)選擇要運(yùn)行的速度。它是用戶的接口，用戶可以調(diào)用該函數(shù)把速度值傳到驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)。例如，在應(yīng)用程序中執(zhí)行ioctl(fdl，
timer0中斷是核心程序，它可根據(jù)PID的調(diào)節(jié)值來改變占空比。為了便于隨時(shí)改變占空比的值可定義兩個(gè)全局變量tmp2、tmp3，通過把它們的值寫入TCMPB來改變占空比。
在All_Forward、All_Back、All_Stop中，通過設(shè)置端口DO～3的高低電平，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止；在Left_Curve、Right_Curve中，設(shè)置左右輪的旋轉(zhuǎn)方向，使兩輪旋轉(zhuǎn)方向不同，再根據(jù)差速在應(yīng)用程序中給定預(yù)定時(shí)間，以達(dá)到轉(zhuǎn)彎效果。
4 結(jié) 論
利用ARM和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的閉環(huán)控制是可行的，而且可以充分利用ARM的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)其他智能模塊的擴(kuò)展。
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