基于嵌入式Linux的移動機器人控制系統(tǒng)

摘要：以嵌入式Linux開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)模糊控制算法進行機器人路徑規(guī)劃，同時將兩自由度云臺和超聲波測距模塊相結(jié)合，擴大了障礙物檢測范圍。根據(jù)測試，移動機器人可以根據(jù)操作人員的語音指令，實現(xiàn)前進、后退、測量距離等動作，并通過MP3播放功能播放出所測量到的距離值和機器人當前的運行狀態(tài)。在運行過程中，機器人可以自動檢測方位并修正，實現(xiàn)無碰撞行駛。

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會的需要，移動機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，正在滲透到各行各業(yè)中，使人們的生活更加便利。現(xiàn)今以單片機為核心的移動機器人存在處理數(shù)據(jù)量有限、控制系統(tǒng)速度低、人機交互機制單一等缺點，不能滿足機器人多任務(wù)的要求。系統(tǒng)中增加協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用，雖然可以管理多種傳感器，但這種結(jié)構(gòu)卻增加了硬件的冗余度和復雜度，見參考文獻。為此，提出了以嵌入式處理器S3C2440為核心的多任務(wù)機器人控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)選用兩輪獨立驅(qū)動小車為移動式機器人平臺，后輪為一個尼龍萬向輪。處理器為三星公司的S3C2440，系統(tǒng)主頻最高可達533 MHz，外接512 MB的NAND Flash和64 MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，滿足移動機器人控制系統(tǒng)的需求，如圖1所示。

整個控制系統(tǒng)工作過程如下：語音識別芯片LD3320通過SPI總線接口接入ARM處理器，處理器可以對識別的結(jié)果進行分析和匯總，并通過查表提取出操作人員的命令碼;同時，處理器通過串口讀取機器人當前的航向信息;超聲波測距和紅外線地面檢測模塊由處理器的GPIO引腳控制;通過控制兩自由度的云臺，可以進行多方位的超聲波障礙物檢測，利用LD3320模塊的MP3播放功能播放所檢測到的障礙物距離和路況信息?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)和所識別的操作人員的命令碼，利用信息融合技術(shù)提取環(huán)境特征，通過路徑規(guī)劃技術(shù)作出決策，控制電機狀態(tài)，最終控制機器人的姿態(tài)。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中，將系統(tǒng)中所有要處理的任務(wù)劃分為不同的、相互獨立的任務(wù)模塊。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標和技術(shù)要求，可將任務(wù)劃分為：語音識別、航向測量與計算、超聲波測距、電機控制、信息處理等任務(wù)。

2.1 進程的創(chuàng)建與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

移動機器人控制系統(tǒng)在初始化完成后，利用系統(tǒng)調(diào)用fock機制分別為語音識別、航向測量與計算和超聲波測距等任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的子進程，實現(xiàn)方式如圖2所示。進程創(chuàng)建成功后，操作系統(tǒng)會根據(jù)調(diào)度算法進行進程調(diào)度，這使系統(tǒng)在行駛過程中，能夠及時響應(yīng)語音命令。

2.2 進程間通信機制

在信息處理進程中，需要對不同任務(wù)返回的有效數(shù)據(jù)進行信息處理和融合。由于不同進程的數(shù)據(jù)段、堆棧段是相互隔離的，因此，采用共享內(nèi)存的進程間通信方式，在程序中可以使用shmget從系統(tǒng)中取出一塊未使用的物理內(nèi)存并映射到用戶空間，如圖3所示。

在兩個進程之間建立共享內(nèi)存的具體實現(xiàn)步驟如下：

①在調(diào)用fock()前，使用shmget創(chuàng)建新的共享內(nèi)存，返回值為共享內(nèi)存標識碼：

shmid=shmget(IPC PRIVATE，1，PERM) //申請一個字節(jié)共享內(nèi)存

②調(diào)用fock()函數(shù)，創(chuàng)建子進程，根據(jù)fock()的返回值區(qū)分父進程和子進程，并分別在兩個進程中使用shmat映射一塊共享內(nèi)存，即允許當前進程訪問創(chuàng)建的共享內(nèi)存：

if(fock()) p_addr=shmat(shmid，0，0);//將共享內(nèi)存映射到父進程

else{c_addr=shmat(shmid，0，0);}//將共享內(nèi)存映射到子進程

其中，shmid為shmget()函數(shù)的返回值，即共享內(nèi)存標識碼。

從用戶的角度看，在父進程中可以對p_addr進行讀寫操作，實際訪問的是申請的共享內(nèi)存。子進程則可以對c_addr進行讀寫，從而實現(xiàn)兩個進程間的通信。共享內(nèi)存的映射和進程之間的關(guān)系，如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)控制流程

在程序初始化完成后，為每項任務(wù)創(chuàng)建了相應(yīng)的進程，并建立了共享內(nèi)存，如圖5所示。在每個進程中采用循環(huán)執(zhí)行方式，語音識別進程中利用select函數(shù)監(jiān)控是否有識別結(jié)果輸出，并將識別結(jié)果寫入到相應(yīng)的共享內(nèi)存區(qū)。

航向測量和計算進程循環(huán)讀取陀螺儀的角度信息并存儲。超聲波測距進程在接收到信息處理進程的控制命令后進行測距并將數(shù)據(jù)返回至信息處理進程。信息處理進程融合了多傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的路徑規(guī)劃方案，將控制信息傳輸?shù)诫姍C控制進程，實現(xiàn)機器人姿態(tài)的調(diào)整。

2.4 語音識別

在系統(tǒng)運行過程中，語音識別進程獨立完成對語音模塊的初始化和讀取識別結(jié)果的任務(wù)，因此，能夠及時響應(yīng)操作人員發(fā)出的語音指令。程序中使用了select()函數(shù)監(jiān)控read()是否可讀。當語音識別模塊LD3320有識別結(jié)果時，將在中斷引腳輸出高電平以觸發(fā)系統(tǒng)中斷，結(jié)束驅(qū)動程序中的等待狀態(tài)，同時應(yīng)用程序可以通過read()函數(shù)讀取LD3320的識別結(jié)果，并寫入到相應(yīng)共享內(nèi)存區(qū)M中。在沒有中斷時，read()函數(shù)將被阻塞，如圖6所示。

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