基于H橋控制的移動機器人系統(tǒng)方案

引言

近年來隨著人工智能技術、計算機技術等相關技術的發(fā)展，對移動機器人的研究越來越廣泛。本設計是采用OpenWrt操作系統(tǒng)的移動機器人，它可實現(xiàn)多種不同功能，如探測險情、巡視、圖像采集、定位、無線通信等。它還可以作為各種智能控制方法(包括動態(tài)避障、路徑規(guī)劃、群體協(xié)作策略)的良好載體，開展研究。

1 系統(tǒng)方案

采用2層架構。上層以ARM處理器S3C2440為核心，選用MINI2440開發(fā)板作為上層的主板，負責圖像采集，并將圖像通過WiFi方式發(fā)送給遠端的PC機。WiFi無線通信是利用PC機與無線路由器搭建環(huán)境平臺共同實現(xiàn)的。

下層是以51單片機為核心的單片機控制板，由51單片機及外圍電路組成。下層主要負責機器人移動控制，傳感器數(shù)據(jù)處理。51單片機通過I/O口輸出PWM信號控制直流電機的轉速和轉向，實現(xiàn)機器人的前進、停止、左轉和右轉。單片機接口電路上掛接了1個超聲波測距模塊、1個人體紅外感應模塊、1個步進電機模塊。超聲波測距模塊用來實現(xiàn)機器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個步進電機，而超聲波測距模塊安置在步進電機的轉軸上，步進電機不停地來回轉動，超聲波測距模塊也隨之轉動。這樣用1個超聲波測距模塊就可實現(xiàn)多方位測距，從而減少了超聲波測距模塊的數(shù)量。

機器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。軟件包括：嵌入式Linux操作系統(tǒng)、外設驅動程序、Linux應用程序以及單片機應用程序等。系統(tǒng)沒有選用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊徑，選用一種獨特的嵌入式Linux發(fā)行版之一OpenWrt作為操作系統(tǒng)。OpenWrt提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理，它通過簡單易用的方式，降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻，提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。

嵌入式智能移動機器人的工作流程為：傳感器模塊實時采集周圍環(huán)境信息，將此數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綑C器人控制系統(tǒng)中，單片機通過數(shù)據(jù)分析獲取有效數(shù)據(jù)，從而獲知機器人與障礙物的相對位置，然后根據(jù)此位置信息產(chǎn)生控制信號;單片機產(chǎn)生PWM信號控制直流電機來控制機器人轉向，從而達到機器人自主“行走”的目的。下層的單片機與上層的ARM處理器通過串口來通信，ARM主板可將下層單片機控制板的工作數(shù)據(jù)通過無線WiFi的方式傳輸?shù)竭h端的PC機。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現(xiàn)場圖片發(fā)給遠端的PC控制終端。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構框圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)主要由以下模塊構成：圖像采集模塊、無線通信模塊、超聲波測距模塊、紅外感應模塊、MINI2440、單片機STC89C52以及直流電機驅動模塊等。下面重點介紹直流電機驅動模塊。

直流電機驅動模塊以L298N芯片為核心，該芯片具有帶載能力強的特點。直流電機驅動電路如圖2所示。驅動電路芯片的外圍電路主要是由二極管構成的電橋電路與2組電機并聯(lián)連接，以達到控制電機按照設定運轉的目的。

圖2 直流電機驅動電路

移動機器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖3所示。

圖3 H橋控制方案

電機共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅動，而通過2路PWM輸出可控制一個電機，兩個電機以并聯(lián)方式連接。

當L298N芯片使能信號ENABLE為高時，輸出才隨輸入變化，否則為高阻態(tài)，所以焊接時，ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC.

具體驅動過程為：通過編程由控制芯片經(jīng)PWM發(fā)出驅動信號，PWM輸出作為L298N的輸入，經(jīng)L298N轉換輸出控制信號使電機轉動，從而實現(xiàn)電動機的驅動。

PWM輸出信號的高低則可以控制直流電機轉速。當占空比加大時，轉速升高;占空比減小時，轉速降低;當PWM信號輸出占空比為0時可控制電機的停止。

當左輪停止，右輪轉時，小車左轉;當右輪停止，左輪轉動時，小車右轉。而2路PWM輸出的正負順序轉換則可控制電機的正反轉，進而控制小車的前進和后退。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分是移動機器人的智能化的體現(xiàn)，它控制移動機器人所有的運行狀態(tài)。

操作系統(tǒng)采用了OpenWrt操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡化了Linux內核的定制過程，而且允許開發(fā)者使用軟件包的概念來定制嵌入式設備，從而簡化了嵌入軟件開發(fā)的流程。

程序在Kubuntu CodeBlock IDE集成開發(fā)環(huán)境中進行編寫，用Openwrt編譯出來的ARM eabi交叉編譯工具編譯，再經(jīng)過終端SercurtCRT通過串行口向移動終端燒入交叉編譯后的程序以及系統(tǒng)。

應用軟件控制小車的避障、攝像、發(fā)送視頻等行為。通信方面通過在主機端用vsftp軟件架設FTP服務器，并通過IEEE 802.11g(RTL8187)無線網(wǎng)卡建立無線局域網(wǎng)。這樣，移動終端就可以接收上位機的控制命令到達指定地點拍照并發(fā)送圖片，而PC機終端就可以接收通過WiFi傳送過來的圖片。

系統(tǒng)軟件結構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)驅動程序利用MINI2440開發(fā)板提供的例程進行改寫，并編譯進內核。

攝像頭控制軟件mjpgstreamer由Openwrt以軟件包形式提供，通過端口8080輸出為MJPEG格式的圖像。無線通信部分內容為Linux下socket編程，為客戶端提供遠程控制支持。無線通信的部分代碼如下：