基于激光雷達(dá)避障的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計
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移動機(jī)器人是一種能夠感知外部環(huán)境，在有障礙物的環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)決策與規(guī)劃，從而完成避障等多種功能的綜合系統(tǒng)。機(jī)器人系統(tǒng)通常分為機(jī)構(gòu)本體和控制系統(tǒng)兩部分，控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)用戶的指令對機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行操作和控制。隨著機(jī)器人的智能化水平越來越高，控制器要有方便、靈活的操作方式，以及多種形式的控制方式和高度可靠性，還要有很高的實時性。
為了保證系統(tǒng)的實時性，簡化控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計，有必要在控制系統(tǒng)引入嵌入式操作系統(tǒng)。本設(shè)計將嵌入式技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，利用ARM作為硬件平臺并移人μC／OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，開發(fā)了具有多線程、多任務(wù)管理的控制終端。嵌入式主控制器ARM是整個機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，主要完成環(huán)境感知、組織管理、總體任務(wù)分配。嵌入式主控器作為機(jī)器人的運算層，一方面作為控制上位機(jī)，可以通過串口與下位機(jī)伺服控制系統(tǒng)通信，從而完成機(jī)器人的運動控制；另一方面還提供了與遙控操作端或用戶端的無線通信接口。本文設(shè)計的機(jī)器人控制系統(tǒng)可應(yīng)用于日常生活、足球機(jī)器人以及其他科學(xué)探索領(lǐng)域。
1 系統(tǒng)組織架構(gòu)與硬件設(shè)計
設(shè)計時考慮到機(jī)器人在體積、質(zhì)量等方面的限制，以及要滿足功耗低，實時性高，性能優(yōu)越的特點，選擇合適的軟硬件結(jié)構(gòu)及有效的控制模式是整個設(shè)計過程的關(guān)鍵。
1．1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
整個機(jī)器人控制系統(tǒng)由嵌入式主控制器、伺服控制模塊、無線通信模塊和傳感檢測模塊組成?？刂葡到y(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。
按功能劃分，該控制系統(tǒng)分為上下兩層。由實現(xiàn)任務(wù)管理、運動軌跡生成、定位的上層控制系統(tǒng)，以及完成機(jī)器人伺服控制、傳感器信息采集的下層控制系統(tǒng)組成。上層控制系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心控制層，它有兩種控制實現(xiàn)方式：一種是獨立運行模式，另一種是遙控或遠(yuǎn)程實時控制模式。獨立運行模式有自己的運行參數(shù)，即上層控制系統(tǒng)根據(jù)激光雷達(dá)的信息傳遞到環(huán)境建模模塊，產(chǎn)生環(huán)境地圖并產(chǎn)生避障算法所需信息，控制器根據(jù)避障模塊信息產(chǎn)生機(jī)器人本體速度和方向信息，傳遞到運動控制器。在運動控制底層程序定義了一系列程序，運動控制器通過解釋上層控制系統(tǒng)傳遞過來的信息并執(zhí)行相應(yīng)程序，從而達(dá)到機(jī)器人控制的目的，實現(xiàn)實時避障。遙控器或遠(yuǎn)程實時控制模式是通過無線通信單元接收用戶端或遙控端發(fā)出的命令，實現(xiàn)對機(jī)器人的實時控制。系統(tǒng)的控制實現(xiàn)方式如圖2所示。
1．2 主控制模塊
主控制模塊采用SAMSUNG公司16／32位RISC處理器S3C4480作為控制器。S3C4480功耗低，有多種電源供電方式，有多種外部存儲器訪問，新的總線體系結(jié)構(gòu)(SAMBA)，速度可達(dá)132 MHz。主控模塊使用Hynix公司的HY57V281620(SDRAM)以及SAM-SUNG公司的Nand-Flash芯片K9F2808U作為存儲器。為了增大數(shù)據(jù)吞吐能力，選取了2片SDRAM構(gòu)成32位地址寬度。S3C4480使用ARM7TDMI核，它滿足μC／OS-Ⅱ正常運行的所有條件，設(shè)計時S3C4480移入μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，將加快處理器的應(yīng)用和開發(fā)，而且還能提高系統(tǒng)的實時性。通過將系統(tǒng)的功能劃分成按不同優(yōu)先級調(diào)度的任務(wù)，實現(xiàn)對機(jī)器人的多任務(wù)控制，主控制模塊中的路徑規(guī)劃任務(wù)采用柵格法。
1．3 激光雷達(dá)測距模塊
激光雷達(dá)是一種工作在從紅外線到紫外光譜段的雷達(dá)系統(tǒng)，相對于超聲波、紅外、攝像頭等其他傳感測距方法，激光雷達(dá)具有探測距離遠(yuǎn)，測量精度高，價格相對適中等優(yōu)點。在本設(shè)計中使用德國施克公司的LMS291激光測量系統(tǒng)，基于飛行時間測量原理，180°掃描角度，可以設(shè)置三個保護(hù)區(qū)域，具有濾波功能，以消除障礙檢測過程中激光雷達(dá)的測距噪聲干擾。
LMS291激光雷達(dá)通過旋轉(zhuǎn)鏡面向各個方向發(fā)射脈沖激光，并由LMS291接收器接收反射光線。該激光雷達(dá)響應(yīng)時間可固定為13 ms，發(fā)射角為幾mrad的激光脈沖，通過測量發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時間延遲，并乘以光速，就可以測得障礙物的距離。時間測量通過圖3所示的脈沖填充法求出。
如果計數(shù)值為N，則t=N△T=N／f，從而可得L=ct／2=cN／(2f)，其中，f為時鐘脈沖。
LMS291激光測量系統(tǒng)提供RS 232數(shù)據(jù)接口，本設(shè)計主控制器采用的是S3C44B0，由于它的LVTTL電路所定義的高、低電平信號為正邏輯，而RS 232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，兩者間通信要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，在設(shè)計時系統(tǒng)采用RS 232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232ACPE實現(xiàn)串口的通信。
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