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(多图) 基于激光雷达避障的机器人控制系统设计

黄永锋 康东 严海磊?? 2009年10月14日 ?? 收藏0

  LMS291激光测量系统提供RS 232数据接口,本设计主控制器采用的是S3C44B0,由于它的LVTTL电路所定义的高、低电平信号为正逻辑,而RS 232标准采用负逻辑方式,两者间通信要进行电平转换,在设计时系统采用RS 232电平转换芯片MAX232ACPE实现串口的通信。

?  1.4 无线通信模块

  无线通信模块利用从前端RF接收到的遥控端或用户端的信息通过串口发送到机器人,也可将机器人的信息通过无线通信模块发送出去。前端RF使用Chip-con公司生产的CC2420芯片,无线通信模块采用的微控制器为Microchip公司的 PIC18LF4620。CC2420与PIC18LF4620都使用3.3 V作为工作电压,可以降低功耗,CC2420只需通过SI,SO,SCLK,CSn与PIC18LF4620的SPI接口进行连接。本设计中使用 PIC18LF4620的RC6,RC7引脚作为RS 232的数据发送端与数据接收端。CC2420是一款较为通用的符合IEEE802.15.4的2.4 GHz ZigBee收发芯片,该芯片在集成了PHY层和部分MAC层的同时,还提供了许多硬件支持。

  1.5 伺服控制模块

  运动控制模块通过RS 232与主控制模块连接,主控制模块通过串行总线将期望速度、方向信息传送至运动控制器,运动控制器将信息处理后作为运动控制算法的输入量,运动控制算法得到以PWM形式表示的电机控制信息。为判断电机转速及运转方向,安装在电机上的光电编码器提供相位相差90°的两个通道的光码脉冲输出,光电编码器产生的两脉冲送入DSP的正交编码脉冲单元的QEP1,QEP2引脚,通过DSP的比较单元CAP1,CAP2捕捉,然后经译码单元产生内部4倍频后的脉冲信号CLK以及转向信号,将脉冲信号送入选定的计数器进行计数,计数方向由转向信号决定,通过读取选定通用定时器的计数值、脉冲数、计数方向可得到电机的转速、行程及方向为伺服控制提供反馈输入。没计使用TI公司的TMS320F2812作为控制驱动模块的控制器,该芯片产生的PWM信号并不能够直接驱动电机的执行,设计时使用TI公司的直流电机驱动芯片SN7S4410将PWM转换成可驱动电机的驱动信号。图4为移动机器人运动控制系统的原理图。

移动机器人运动控制系统的原理图

  图4中电流传感器为霍尔元件电流传感器,将采集到的电机电流信息送入A/D转换接口,从而整个运动控制系统形成双闭环控制系统。运动控制器中运动控制算法采用PID算法,设定允许的误差为e0,设定如下关系:

当| e(k)|≤e0时,控制器不起作用;
当| e(k)|>e0时,可以得到控制器的输出为:

控制器的输出

  PWM信号的宽度由时间管理器中定时器的周期寄存器和与该定时器相关的比较寄存器决定,经过PID处理后的控制器输出u(k)为脉冲的占空比,然后写入选定定时器的比较寄存器,比较寄存器与周期寄存器的比值即为PWM波形的占空比,从而实现电机转速的控制。

  2 软件设计

  该机器人控制系统的软件设计包括主控制模块、DSP运动控制器算法程序、PIC18LF4620的程序设计。PIC18LF4620的程序设计在这里不做介绍。

  2.1 主控制模块程序设计

  主控制模块软件设计是在μC/OS-Ⅱ平台上设计各硬件的驱动程序,创建和启动各项任务,创建信号量、消息邮箱、消息队列完成各任务间的通信。

  针对S3C4480的硬件资源和编译器特性,移植时要对μC/OS一Ⅱ的三个源文件做修改:

  (1)OS_CPU.H头文件与编译器相关的数据类型重新修改;

  (2)OS_CPU_ A.S文件中修改处理器相关的4个汇编函数;

  (3)OS_ CPU.C文件中编写初始化任务的堆栈函数。

  μC/OS-Ⅱ中程序是从main()函数开始执行,程序启动后跳转至主程序运行,调用ARMInit()初始化ARM系统,包括建立相关参数和变量,配置ARM处理器中断端口、设置中断并初始化各器件,然后调用OSInit()初始化μC/OS-Ⅱ操作系统,将操作系统的初始化与硬件的初始化分开来使得思路更清晰,便于调试。由于各任务之间要通过创建信号量、消息邮箱、消息队列来完成通信,该操作通过调用 OSSemCreate(),OSMboxCreate(),OSQCreate()函数来完成,然后调用 OSTaskCreate(void(*task)(void*pd),void*pda-ta,OS_STK*ptos,INT8U prio)函数创建各任务完成系统控制。最后调用函数OSStlart(),μC/OS-Ⅱ开始运行,执行任务。本系统设计时主要完成的任务有无线通信任务、命令解释任务、激光雷达信息处理任务。


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激光雷达? 机器人? ARM? S3C4480?

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