基于嵌入式Linux的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)

使用select機(jī)制監(jiān)控是否語音識別結(jié)果，在超出等待時間后，會退出等待并重新初始化語音模塊LD3320，釋放公共資源，這樣也使得系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)LD3320的MP3播放功能，避免了在長時間沒有語音識別結(jié)果時，系統(tǒng)進(jìn)入卡死狀態(tài)。

2.5 航向測量

為了使移動機(jī)器人能夠沿指定的方向行駛并能修正由外界干擾因素產(chǎn)生的航向偏差，系統(tǒng)采用陀螺儀航向測量模塊MPU-6050，該模塊將其測量的模擬量轉(zhuǎn)換為可輸出的數(shù)字量，并通過串口發(fā)送到S3C2440。系統(tǒng)通過read(fd_uartl，buf，10)函數(shù)讀取相應(yīng)串口，得到航向數(shù)據(jù)

并寫入到共享內(nèi)存區(qū)S中。

2.6 超聲波測距

本系統(tǒng)采用渡越時間法，超聲波測距模塊在收到發(fā)射控制信號時，換能器將發(fā)出40 kHz的連續(xù)脈沖信號。接收器的輸出高電平時間和距離成正比，同時觸發(fā)處理器的中斷，上升沿中斷開啟定時器，下降沿關(guān)閉定時器，利用處理器內(nèi)部的定時器1測量出輸出信號的高電平的持續(xù)時間△T，經(jīng)過式(1)的計(jì)算，可得到檢測距離S：

S=V×△T/2 (1)

式中，V為超聲波的傳播速度，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s。程序中根據(jù)所編寫的驅(qū)動程序，使用ioctl(fd_chao，SEN D_BEGIN)、ioctl(fd_chao，SEND_STOP)控制GPIO以實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和停止。系統(tǒng)中對某個方向連續(xù)測量5次，進(jìn)行中值濾波并將濾波后數(shù)據(jù)傳遞到信息處理進(jìn)程。

2.7 電機(jī)控制

移動平臺中采用L298驅(qū)動直流減速電機(jī)，平臺尚未安裝速度反饋單元，簡化了控制模式。程序通過ioctl()控制L298以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止操作。

在電機(jī)驅(qū)動程序中定義了相應(yīng)GPIO的輸入/輸出方式：ioctl(fd，TURN_LEFT)中，fd為驅(qū)動程序的文件描述符;TURN_LEFT是命令掩碼CMD，驅(qū)動程序根據(jù)命令掩碼CMD對相應(yīng)的GPIO賦值以控制L298的狀態(tài)。

3 路徑規(guī)劃和避障算法

根據(jù)模糊邏輯法，移動平臺能夠在不確定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃和避障。

3.1 輸入輸出變量的模糊化

在路徑規(guī)劃過程中，信息分析模塊的輸入量為移動平臺的行駛方向信息、與障礙物之間的相對位移信息;輸出量為移動平臺的旋轉(zhuǎn)角度和平動位移信息。

①定義移動平臺與左側(cè)障礙物的距離為DL、與右側(cè)障礙物的距離為DR、前方障礙物的距離為DF。模糊子集定義為{S，M，B}，分別表示小、中、大，相應(yīng)的距離隸屬度函數(shù)如圖7所示。

②定義移動平臺和目標(biāo)點(diǎn)之間夾角為γ，模糊子集定義為{LB，LS，Z，RS，RB}，分別表示左大、左小、零、右小和右大。相應(yīng)的角度隸屬度函數(shù)如圖8所示。

③移動平臺的旋轉(zhuǎn)角度中的模糊子集定義為{TLB，TLS，TZ，TRS，TRB}。分別表示左轉(zhuǎn)大、左轉(zhuǎn)小、不旋轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)小、右轉(zhuǎn)大，相應(yīng)的輸出隸屬度函數(shù)如圖9所示。

3.2 建立模糊控制規(guī)則

在移動機(jī)器人遠(yuǎn)離障礙物或不存在障礙物的情況下，依據(jù)移動平臺的行駛軌跡，可以先對行駛方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測到障礙物接近移動平臺時，移動平臺應(yīng)改變行駛軌跡，避免發(fā)生碰撞。移動平臺的部分模糊控制規(guī)則如表1所列。

3.3 模糊推理和解模糊化

根據(jù)距離隸屬度函數(shù)，將超聲波測量得到的不同方位的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模糊邏輯狀態(tài)，再查找模糊控制規(guī)則，查表得到相應(yīng)的輸出模糊量。

解模糊化是輸出模糊量映射到動作行為的過程。模糊控制器對移動平臺的動作進(jìn)行了分解并編碼，將復(fù)雜的動作分解為一系列簡單動作的疊加，使得每一個輸出模糊量對應(yīng)一套動作。

例如在檢測到前方有障礙物并確定左轉(zhuǎn)時，可以將機(jī)器人動作分解為：后退(左轉(zhuǎn)，即先后退，再左轉(zhuǎn)。這樣可以減小機(jī)器人觸碰到前方障礙物的概率。

4 實(shí)驗(yàn)測試

使用menuconfig命令為嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核配置添加相應(yīng)驅(qū)動程序后，進(jìn)行make編譯生產(chǎn)zImage文件。啟動移動機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)入BIOS模式，將配置好的內(nèi)核通過Supervivi工具燒寫到NAND Flash。在系統(tǒng)啟動后，配置Linux目錄中的/etc/init.d文件，使系統(tǒng)啟動后，自動運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序。

如果系統(tǒng)初始化正常，將聽到由語音模塊發(fā)出的提示聲：“校準(zhǔn)完成”。此時，操作人員可以下達(dá)“前進(jìn)”、“后退”或“測距”等設(shè)計(jì)好的語音指令，機(jī)器人將按照操作人員的指令完成相應(yīng)的動作，還可以通過語音模塊播放出測量到的距離。

結(jié)語

系統(tǒng)利用了Linux系統(tǒng)支持多任務(wù)和可裁剪的特點(diǎn)，結(jié)合處理器豐富的接口資源，實(shí)現(xiàn)了多方位超聲波測距、電機(jī)控制等功能，通過對多傳感器信息的融合和分析，為模糊邏輯法進(jìn)行路徑規(guī)劃提供了判斷依據(jù)。

語音識別功能使得機(jī)器人和操作人員之間的人機(jī)交互變得更靈活方便。在此基礎(chǔ)上，可以利用Linux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為進(jìn)一步研究服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人與機(jī)器人通信等提供了一種方案。