基于激光雷達(dá)避障的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1．4 無線通信模塊
無線通信模塊利用從前端RF接收到的遙控端或用戶端的信息通過串口發(fā)送到機(jī)器人，也可將機(jī)器人的信息通過無線通信模塊發(fā)送出去。前端RF使用Chip-con公司生產(chǎn)的CC2420芯片，無線通信模塊采用的微控制器為Microchip公司的PIC18LF4620。CC2420與PIC18LF4620都使用3．3 V作為工作電壓，可以降低功耗，CC2420只需通過SI，SO，SCLK，CSn與PIC18LF4620的SPI接口進(jìn)行連接。本設(shè)計(jì)中使用PIC18LF4620的RC6，RC7引腳作為RS 232的數(shù)據(jù)發(fā)送端與數(shù)據(jù)接收端。CC2420是一款較為通用的符合IEEE802．15．4的2．4 GHz ZigBee收發(fā)芯片，該芯片在集成了PHY層和部分MAC層的同時(shí)，還提供了許多硬件支持。
1．5 伺服控制模塊
運(yùn)動(dòng)控制模塊通過RS 232與主控制模塊連接，主控制模塊通過串行總線將期望速度、方向信息傳送至運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器將信息處理后作為運(yùn)動(dòng)控制算法的輸入量，運(yùn)動(dòng)控制算法得到以PWM形式表示的電機(jī)控制信息。為判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速及運(yùn)轉(zhuǎn)方向，安裝在電機(jī)上的光電編碼器提供相位相差90°的兩個(gè)通道的光碼脈沖輸出，光電編碼器產(chǎn)生的兩脈沖送入DSP的正交編碼脈沖單元的QEP1，QEP2引腳，通過DSP的比較單元CAP1，CAP2捕捉，然后經(jīng)譯碼單元產(chǎn)生內(nèi)部4倍頻后的脈沖信號(hào)CLK以及轉(zhuǎn)向信號(hào)，將脈沖信號(hào)送入選定的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)方向由轉(zhuǎn)向信號(hào)決定，通過讀取選定通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值、脈沖數(shù)、計(jì)數(shù)方向可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速、行程及方向?yàn)樗欧刂铺峁┓答佪斎?。沒計(jì)使用TI公司的TMS320F2812作為控制驅(qū)動(dòng)模塊的控制器，該芯片產(chǎn)生的PWM信號(hào)并不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的執(zhí)行，設(shè)計(jì)時(shí)使用TI公司的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片SN7S4410將PWM轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖4為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖。 本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/163545.htm
圖4中電流傳感器為霍爾元件電流傳感器，將采集到的電機(jī)電流信息送入A／D轉(zhuǎn)換接口，從而整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制器中運(yùn)動(dòng)控制算法采用PID算法，設(shè)定允許的誤差為e0，設(shè)定如下關(guān)系：
當(dāng)| e(k)|≤e0時(shí)，控制器不起作用；
當(dāng)| e(k)|>e0時(shí)，可以得到控制器的輸出為：
PWM信號(hào)的寬度由時(shí)間管理器中定時(shí)器的周期寄存器和與該定時(shí)器相關(guān)的比較寄存器決定，經(jīng)過PID處理后的控制器輸出u(k)為脈沖的占空比，然后寫入選定定時(shí)器的比較寄存器，比較寄存器與周期寄存器的比值即為PWM波形的占空比，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
2 軟件設(shè)計(jì)
該機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控制模塊、DSP運(yùn)動(dòng)控制器算法程序、PIC18LF4620的程序設(shè)計(jì)。PIC18LF4620的程序設(shè)計(jì)在這里不做介紹。
2．1 主控制模塊程序設(shè)計(jì)
主控制模塊軟件設(shè)計(jì)是在μC／OS-Ⅱ平臺(tái)上設(shè)計(jì)各硬件的驅(qū)動(dòng)程序，創(chuàng)建和啟動(dòng)各項(xiàng)任務(wù)，創(chuàng)建信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列完成各任務(wù)間的通信。
針對(duì)S3C4480的硬件資源和編譯器特性，移植時(shí)要對(duì)μC／OS一Ⅱ的三個(gè)源文件做修改：
(1)OS_CPU．H頭文件與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型重新修改；
(2)OS_CPU_ A．S文件中修改處理器相關(guān)的4個(gè)匯編函數(shù)；
(3)OS_ CPU．C文件中編寫初始化任務(wù)的堆棧函數(shù)。
μC／OS-Ⅱ中程序是從main()函數(shù)開始執(zhí)行，程序啟動(dòng)后跳轉(zhuǎn)至主程序運(yùn)行，調(diào)用ARMInit()初始化ARM系統(tǒng)，包括建立相關(guān)參數(shù)和變量，配置ARM處理器中斷端口、設(shè)置中斷并初始化各器件，然后調(diào)用OSInit()初始化μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，將操作系統(tǒng)的初始化與硬件的初始化分開來使得思路更清晰，便于調(diào)試。由于各任務(wù)之間要通過創(chuàng)建信號(hào)量、消息郵箱、消息隊(duì)列來完成通信，該操作通過調(diào)用OSSemCreate()，OSMboxCreate()，OSQCreate()函數(shù)來完成，然后調(diào)用OSTaskCreate(void(*task)(void*pd)，void*pda-ta，OS_STK*ptos，INT8U prio)函數(shù)創(chuàng)建各任務(wù)完成系統(tǒng)控制。最后調(diào)用函數(shù)OSStlart()，μC／OS-Ⅱ開始運(yùn)行，執(zhí)行任務(wù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)主要完成的任務(wù)有無線通信任務(wù)、命令解釋任務(wù)、激光雷達(dá)信息處理任務(wù)。
2．2 伺服控制模塊程序設(shè)計(jì)
伺服控制模塊利用高速的DSP運(yùn)動(dòng)控制器與反饋信號(hào)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，DSP發(fā)送PWM波與方向信號(hào)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過速度反饋，DSP可實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前速度，利用DSP中的控制程序根據(jù)速度讀數(shù)控制PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。主程序流程圖如圖5所示。
在DSP的事件管理器中，將其中一個(gè)定時(shí)器設(shè)定一個(gè)中斷周期，每當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，調(diào)用中斷處理子程序獲得電機(jī)的反饋速度。
3 結(jié) 語
根據(jù)新型激光雷達(dá)跟蹤測(cè)量理論，開發(fā)研制了基于μC／OS-Ⅱ的機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)已成功用于實(shí)驗(yàn)室自主研制開發(fā)的足球機(jī)器人。性能測(cè)試表明，該機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠快速及時(shí)跟蹤定位目標(biāo)，并且能夠通過無線通信模塊與遙控端進(jìn)行通信，完成指定操作指令。該控制系統(tǒng)采用的控制決策算法為PID，今后將致力于研究采用更為先進(jìn)的算法。
評(píng)論