基于ARM的自主式移動機器人電路設(shè)計

自主式移動機器人系統(tǒng)是指根據(jù)指令任務(wù)及環(huán)境信息進(jìn)行自主路徑規(guī)劃，并且在任務(wù)執(zhí)行過程中不斷采集局部環(huán)境信息，做出決策，從而實現(xiàn)安全行駛并準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)地點的智能系統(tǒng)。本文以LPC2119為控制核心，介紹了一種輪式移動機器人的設(shè)計方案。該機器人系統(tǒng)應(yīng)用超聲傳感器、光敏傳感器、碰撞傳感器采集外部環(huán)境信息，采用PTR2000實現(xiàn)移動機器人與計算機通信，從而實現(xiàn)現(xiàn)場信息的反饋和計算機控制命令的發(fā)送。

LPC2119是Philips公司推出的支持實時仿真和跟蹤的arm7TDMI-S微處理器，嵌入128KB高速Flash存儲器。它采用3級流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于其具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適合小型化應(yīng)用。片內(nèi)多達(dá)64KB的SRAM,具有較大的緩沖區(qū)規(guī)模和強大的處理能力。LPC2119內(nèi)部集成2個CAN控制器、2個32位定時計數(shù)器和4個ADC單元電路。

電機的PWM控制電路設(shè)計

IR2110是美國IR公司推出的一種雙通道、高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件即能提供極快的開關(guān)速度和極低的功耗。其特點在于：將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相位低阻抗輸出驅(qū)動信號，可驅(qū)動同一橋臂上的2路輸出，驅(qū)動能力強，響應(yīng)速度快;工作電壓較高，可達(dá)600V;內(nèi)設(shè)欠壓封鎖;成本低、易于調(diào)試;電路芯片體積小，為DIP14 封裝。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電，與其他IC驅(qū)動電路相比，在設(shè)計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，減小了體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。這種適用于驅(qū)動功率MOSFET和IGBT的自舉式集成電路，在電源變換、電機調(diào)速等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。

LPC2119單片機的PWM功能建立在標(biāo)準(zhǔn)定時器上，它具有32位的定時控制器及預(yù)分頻控制器、7個匹配控制器，可實現(xiàn)6個單邊PWM或3個雙邊PWM輸出，也可以使用這兩種類型的混合輸出。此系統(tǒng)使用端口PWM0和PWM1輸出兩路PWM信號，分別控制移動機器人的2個驅(qū)動電機。PWM信號經(jīng)過光電耦合器形成兩路相位相差180°的信號加到IR2110的HIN和LIN引腳上，實現(xiàn)對同一橋臂上的兩個MOSFET開關(guān)的控制，原理如圖1所示。

HIN為高電平期間，Q1、Q4導(dǎo)通，在直流電機上加正向工作電壓;HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導(dǎo)通，在直流電機上加反向工作電壓。因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形。由于機械慣性的作用，矩形脈沖電壓的平均值決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

超聲傳感器系統(tǒng)

為減輕控制器LPC2119的負(fù)擔(dān)，超聲傳感器系統(tǒng)由Atmel公司的AT89C1051單片機控制。1051單片機是含有一個1KB可編程E2PROM的高性能微控制器，它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51的指令和引腳兼容。它為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活、有效的解決方案。AT89C1051有以下特點：1KB的E2PROM、128B的RAM、15根I/O線、2個16位定時 /計數(shù)器、5個二級向量中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙向的串行口且內(nèi)含精密模擬比較器和片內(nèi)振蕩器，具有4.25~5.5V的電壓工作范圍及24MHz工作頻率，同時還具有加密陣列的二級程序存儲器加鎖、掉電和時鐘電路等。此外，AT89C1051還支持兩種軟件設(shè)置的電源節(jié)電方式?？臻e時，CPU停止，而RAM、定時/計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電時，保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停振以禁止芯片其他功能，直到下一次硬件復(fù)位。

1051控制每60ms發(fā)送一路超聲波，檢測回波時間，并完成距離的計算。這樣16路超聲波循環(huán)檢測一次約為1s,在常溫時超聲波的速度約為344m/s,可以計算出障礙物的距離，最后將超聲波傳感器編號及距離信息傳送給LPC2119。超聲波發(fā)射及接收子系統(tǒng)如圖2所示。1051利用P1.0引腳向外發(fā)送40kHz的脈沖信號，此信號作為4-16譯碼器74HC154的使能信號，引腳P1.1~P1.4作為譯碼信號，分別對應(yīng)編號0~15的超聲波傳感器。此信號經(jīng)過9013放大后推動換能器產(chǎn)生40kHz的超聲波信號。

LM567是一片鎖相環(huán)電路，其5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2,f2≈1/1.1RC.其1、2腳分別通過電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。LM567的工作電壓為 4.75~9V,工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。

本設(shè)計是一個基于arm7微處理器的車載嵌入式系統(tǒng)，不僅滿足了移動機器人控制系統(tǒng)的要求而且為機器人的轉(zhuǎn)型應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。在此基礎(chǔ)上可以加入各種先進(jìn)的控制算法，實現(xiàn)移動機器人的智能化。