基于ARM9和Linux的機器人控制系統(tǒng)設計

引 言
    現(xiàn)有智能機器人用直流電機作為驅(qū)動輪時一般都是用單片機或者高速的DSP等進行控制，而且同一機器人往往需用多個CPU來實現(xiàn)各自的功能，但隨著對機器人的智能化要求越來越高，需要一種新的控制器(使用一個處理器)來滿足機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實現(xiàn)的智能機器人平臺，為智能機器人的開發(fā)提供了一個新方法。平臺采用的ARM9是基于三星公司的S3C2410處理器，主頻高達200 MHz，支持藍牙、觸摸屏以及USBHOST接口，可以傳輸高速圖像。嵌入式Linux系統(tǒng)是一個多用戶操作系統(tǒng)，它允許多個用戶同時訪問系統(tǒng)而不會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，一個用戶可以創(chuàng)建多個進程，并使各個進程協(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備的形式存在，只有在用戶需要的時候才調(diào)用相關設備驅(qū)動從而使數(shù)據(jù)融合更方便，運行多任務也更穩(wěn)定。
    利用ARM和嵌人式Linux作為智能機器人平臺具有很大的優(yōu)勢，但在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)用該平臺開發(fā)智能機器人的系統(tǒng)。本設計完成了對該系統(tǒng)驅(qū)動的初步編寫，并通過實際驗證，取得了良好效果。

1 驅(qū)動電路及測速方法
1．1 總體結構及驅(qū)動電路
    系統(tǒng)的整體結構框圖如圖l所示。

    本設計采用的LMD18200的真值表如表1所列。通過ARM的I／0口(例如D口的DO～3)來控制電機的工作狀態(tài)。

1．2 測速方法
    ARM沒有捕獲外部脈沖的計數(shù)器，它的定時器是用來計算內(nèi)部脈沖的。碼盤輸出信號接外部中斷處理程序(EINTl)并設置上沿觸發(fā)變量，在中斷中設置一全局變量i，用i++累加。設置定時器timer0，使它O．36 s產(chǎn)生1次內(nèi)部定時器中斷。當一個定時器周期完成時引發(fā)定時器中斷，在timer0中斷中讀出i的值，即得到O．36 s內(nèi)碼盤轉動所產(chǎn)生的脈沖數(shù)；接著將i清零，為下一個定時器周期捕獲脈沖作準備。此時timer0自動重載，下一次碼盤計數(shù)開始。
1．3 測量精度分析
    智能機器人選用的光碼盤精度為256線，即256脈沖／轉。電機減速比為1：71，車輪半徑R為6 cm，車輪間距為41．1 cm。車輪轉一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)n=71×256=18 176，可以得到每個脈沖之間的距離d=27πR／n=2×3．14×0．06／18 176=0．207×10-4m，即每個脈沖對應的控制精度達0．02 mm。考慮到負載變化(例如負載變化車輪變形等機械誤差)的影響，理論值與實際值會出現(xiàn)誤差，因此在控制精度d前乘以一個修正系數(shù)k。表2為機器人直線行走的實驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯琸為1．10誤差較小，最接近真實值，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)，當偏差E較大時(如啟動或大幅度提速時)，由于積分的作用會產(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，開始時取消積分作用，直到被調(diào)量相差不多時才引入積分作用。具體步驟如下：
    ①設定一個值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E(m)≥a時，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；
    ③當E(m)≤n，即偏差值E(m)比較小時，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)量并縮短了過渡時間，使調(diào)節(jié)性能得到改善。

3 驅(qū)動設計
    本系統(tǒng)的驅(qū)動設計如圖2、圖3、圖4所示。

    設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機器硬件之間的接口。它作為應用和實際設備之間的軟件層，為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。對于應用程序，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。設備驅(qū)動程序是Linux內(nèi)核的一部分，它實現(xiàn)以下的功能：對設備初始化和釋放，把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)，讀取應用程序傳送給設備文件的數(shù)據(jù)和回送應用程序請求的數(shù)據(jù)，檢測和處理設備出現(xiàn)的錯誤。用到的結構如下：

    設備打開的時候就會調(diào)用dcmotor__open函數(shù)進行申請中斷號。帶內(nèi)存管理的單元的地址映射，設置B端口的2、3引腳為PWM輸出，端口D配置為電機使能剎車制動引腳。

    以下所有的函數(shù)都是在ioctl()中實現(xiàn)的。在Dcmo—tor_Start里調(diào)用timer0_2_3_start()，設置timer0為接收兩路電機的碼盤信號，并檢測電機速度；timer2、timer3提供2路PWM輸出，并設置定時器自動重載。具體實現(xiàn)如下：

    Select_Speed可以動態(tài)選擇要運行的速度。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)動從而控制電機。例如，在應用程序中執(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。為了便于隨時改變占空比的值可定義兩個全局變量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，通過設置端口DO～3的高低電平，實現(xiàn)前進、后退、停止；在Left_Curve、Right_Curve中，設置左右輪的旋轉方向，使兩輪旋轉方向不同，再根據(jù)差速在應用程序中給定預定時間，以達到轉彎效果。

4 結 論
    利用ARM和Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)智能機器人的閉環(huán)控制是可行的，而且可以充分利用ARM的強大功能實現(xiàn)其他智能模塊的擴展。