基於ARM9和Linux的 機器人控制系統設計

 

基於ARM9和Linux的 機器人控制系統設計

[日期：2008-11-28]

來源：單片機與嵌入式系統應用  作者：齊齊哈爾大學 羅磊 戴學豐 劉樹東

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引 言
    現有智能機器人用直流電機作為驅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，例如視頻採集、無線通訊。本文介紹的利用ARM實現的智能機器人平台，為智能機器人的開發提供了一個新方法。平台採用的ARM9是基於三星公司的S3C2410處理器，主頻高達200 MHz，支援藍芽、觸控螢幕以及USBHOST介面，可以傳輸高速映像。嵌入式Linux系統是一個多使用者作業系統，它允許多個使用者同時訪問系統而不會造成使用者之間的相互幹擾。另外，Linux系統還支援真正的多使用者編程，一個使用者可以建立多個進程，並使各個進程協同工作來滿足使用者的需求。Linux的引入使其他智能模組都以裝置的形式存在，只有在使用者需要的時候才調用相關裝置驅動從而使資料融合更方便，運行多任務也更穩定。
    利用ARM和嵌人式Linux作為智能機器人平台具有很大的優勢，但在國內還未發現用該平台開發智能機器人的系統。本設計完成了對該系統驅動的初步編寫，並通過實際驗證，取得了良好效果。

1 驅動電路及測速方法
1．1 總體結構及驅動電路
    系統的整體結構框圖l所示。

    本設計採用的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。

1．2 測速方法
    ARM沒有捕獲外部脈衝的計數器，它的定時器是用來計算內部脈衝的。碼盤輸出訊號接外部中斷處理常式(EINTl)並設定上沿觸發變數，在中斷中設定一全域變數i，用i++累加。設定定時器timer0，使它O．36 s產生1次內部定時器中斷。當一個定時器周期完成時引發定時器中斷，在timer0中斷中讀出i的值，即得到O．36 s內碼盤轉動所產生的脈衝數；接著將i清零，為下一個定時器周期捕獲脈衝作準備。此時timer0自動重載，下一次碼盤計數開始。
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脈衝／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。車輪轉一圈所產生的脈衝數n=71×256=18 176，可以得到每個脈衝之間的距離d=27πR／n=2×3．14×0．06／18 176=0．207×10-4m，即每個脈衝對應的控制精度達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誤差，因此在控制精度d前乘以一個修正係數k。表2為機器人直線行走的實驗資料。可以看出，k為1．10誤差較小，最接近真實值，因此該值就是所需的比例係數。

2 速度調節
    一般的PID調節，當偏差E較大時(如啟動或大幅度提速時)，由於積分的作用會產生很大的超調量，使系統振蕩，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，採用PD控制，可以避免過大的超調，又可以使系統有較快的響應；
    ③當E(m)≤n，即偏差值E(m)比較小時，採用PID控制，可以保證系統的精度。

    使用積分分離方法後顯著降低了被控變數的超調量並縮短了過渡時間，使調節效能得到改善。

3 驅動設計
    本系統的驅動設計2、圖3、圖4所示。

    裝置驅動程式是作業系統核心與機器硬體之間的介面。它作為應用和實際裝置之間的軟體層，為應用程式屏蔽了硬體的細節。對於應用程式，硬體裝置只是一個裝置檔案，應用程式可以像操作普通檔案一樣對硬體裝置進行操作。裝置驅動程式是Linux核心的一部分，它實現以下的功能：對裝置初始化和釋放，把資料從核心傳送到硬體和從硬體讀取資料，讀取應用程式傳送給裝置檔案的資料和回送應用程式請求的資料，檢測和處理裝置出現的錯誤。用到的結構如下：

    裝置開啟的時候就會調用dcmotor__open函數進行申請中斷號。帶記憶體管理的單元的地址映射，設定B連接埠的2、3引腳為PWM輸出，連接埠D配置為電機使能刹車制動引腳。

    以下所有的函數都是在ioctl()中實現的。在Dcmo—tor_Start裡調用timer0_2_3_start()，設定timer0為接收兩路電機的碼盤訊號，並檢測電機速度；timer2、timer3提供2路PWM輸出，並設定定時器自動重載。具體實現如下：

    Select_Speed可以動態選擇要啟動並執行速度。它是使用者的介面，使用者可以調用該函數把速度值傳到驅動從而控制電機。例如，在應用程式中執行ioctl(fdl，

timer0中斷是核心程式，它可根據PID的調節值來改變占空比。為了便於隨時改變占空比的值可定義兩個全域變數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，通過設定連接埠DO～3的高低電平，實現前進、後退、停止；在Left_Curve、Right_Curve中，設定左右輪的旋轉方向，使兩輪旋轉方向不同，再根據差速在應用程式中給定預定時間，以達到轉彎效果。

4 結 論
    利用ARM和Linux作業系統實現智能機器人的閉環控制是可行的，而且可以充分利用ARM的強大功能實現其他智能模組的擴充。