基于嵌入式Linux的移動機(jī)器人控制系統(tǒng)

摘要：以嵌入式Linux開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)模糊控制算法進(jìn)行機(jī)器人路徑規(guī)劃，同時(shí)將兩自由度云臺和超聲波測距模塊相結(jié)合，擴(kuò)大了障礙物檢測范圍。根據(jù)測試，移動機(jī)器人可以根據(jù)操作人員的語音指令，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、測量距離等動作，并通過MP3播放功能播放出所測量到的距離值和機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行過程中，機(jī)器人可以自動檢測方位并修正，實(shí)現(xiàn)無碰撞行駛。

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的需要，移動機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，正在滲透到各行各業(yè)中，使人們的生活更加便利?，F(xiàn)今以單片機(jī)為核心的移動機(jī)器人存在處理數(shù)據(jù)量有限、控制系統(tǒng)速度低、人機(jī)交互機(jī)制單一等缺點(diǎn)，不能滿足機(jī)器人多任務(wù)的要求。系統(tǒng)中增加協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用，雖然可以管理多種傳感器，但這種結(jié)構(gòu)卻增加了硬件的冗余度和復(fù)雜度，見參考文獻(xiàn)。為此，提出了以嵌入式處理器S3C2440為核心的多任務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動小車為移動式機(jī)器人平臺，后輪為一個(gè)尼龍萬向輪。處理器為三星公司的S3C2440，系統(tǒng)主頻最高可達(dá)533 MHz，外接512 MB的NAND Flash和64 MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，滿足移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求，如圖1所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)工作過程如下：語音識別芯片LD3320通過SPI總線接口接入ARM處理器，處理器可以對識別的結(jié)果進(jìn)行分析和匯總，并通過查表提取出操作人員的命令碼;同時(shí)，處理器通過串口讀取機(jī)器人當(dāng)前的航向信息;超聲波測距和紅外線地面檢測模塊由處理器的GPIO引腳控制;通過控制兩自由度的云臺，可以進(jìn)行多方位的超聲波障礙物檢測，利用LD3320模塊的MP3播放功能播放所檢測到的障礙物距離和路況信息。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)和所識別的操作人員的命令碼，利用信息融合技術(shù)提取環(huán)境特征，通過路徑規(guī)劃技術(shù)作出決策，控制電機(jī)狀態(tài)，最終控制機(jī)器人的姿態(tài)。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)中所有要處理的任務(wù)劃分為不同的、相互獨(dú)立的任務(wù)模塊。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，可將任務(wù)劃分為：語音識別、航向測量與計(jì)算、超聲波測距、電機(jī)控制、信息處理等任務(wù)。

2.1 進(jìn)程的創(chuàng)建與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

移動機(jī)器人控制系統(tǒng)在初始化完成后，利用系統(tǒng)調(diào)用fock機(jī)制分別為語音識別、航向測量與計(jì)算和超聲波測距等任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的子進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。進(jìn)程創(chuàng)建成功后，操作系統(tǒng)會根據(jù)調(diào)度算法進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，這使系統(tǒng)在行駛過程中，能夠及時(shí)響應(yīng)語音命令。

2.2 進(jìn)程間通信機(jī)制

在信息處理進(jìn)程中，需要對不同任務(wù)返回的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理和融合。由于不同進(jìn)程的數(shù)據(jù)段、堆棧段是相互隔離的，因此，采用共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信方式，在程序中可以使用shmget從系統(tǒng)中取出一塊未使用的物理內(nèi)存并映射到用戶空間，如圖3所示。

在兩個(gè)進(jìn)程之間建立共享內(nèi)存的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①在調(diào)用fock()前，使用shmget創(chuàng)建新的共享內(nèi)存，返回值為共享內(nèi)存標(biāo)識碼：

shmid=shmget(IPC PRIVATE，1，PERM) //申請一個(gè)字節(jié)共享內(nèi)存

②調(diào)用fock()函數(shù)，創(chuàng)建子進(jìn)程，根據(jù)fock()的返回值區(qū)分父進(jìn)程和子進(jìn)程，并分別在兩個(gè)進(jìn)程中使用shmat映射一塊共享內(nèi)存，即允許當(dāng)前進(jìn)程訪問創(chuàng)建的共享內(nèi)存：

if(fock()) p_addr=shmat(shmid，0，0);//將共享內(nèi)存映射到父進(jìn)程

else{c_addr=shmat(shmid，0，0);}//將共享內(nèi)存映射到子進(jìn)程

其中，shmid為shmget()函數(shù)的返回值，即共享內(nèi)存標(biāo)識碼。

從用戶的角度看，在父進(jìn)程中可以對p_addr進(jìn)行讀寫操作，實(shí)際訪問的是申請的共享內(nèi)存。子進(jìn)程則可以對c_addr進(jìn)行讀寫，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程間的通信。共享內(nèi)存的映射和進(jìn)程之間的關(guān)系，如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)控制流程

在程序初始化完成后，為每項(xiàng)任務(wù)創(chuàng)建了相應(yīng)的進(jìn)程，并建立了共享內(nèi)存，如圖5所示。在每個(gè)進(jìn)程中采用循環(huán)執(zhí)行方式，語音識別進(jìn)程中利用select函數(shù)監(jiān)控是否有識別結(jié)果輸出，并將識別結(jié)果寫入到相應(yīng)的共享內(nèi)存區(qū)。

航向測量和計(jì)算進(jìn)程循環(huán)讀取陀螺儀的角度信息并存儲。超聲波測距進(jìn)程在接收到信息處理進(jìn)程的控制命令后進(jìn)行測距并將數(shù)據(jù)返回至信息處理進(jìn)程。信息處理進(jìn)程融合了多傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的路徑規(guī)劃方案，將控制信息傳輸?shù)诫姍C(jī)控制進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整。

2.4 語音識別

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，語音識別進(jìn)程獨(dú)立完成對語音模塊的初始化和讀取識別結(jié)果的任務(wù)，因此，能夠及時(shí)響應(yīng)操作人員發(fā)出的語音指令。程序中使用了select()函數(shù)監(jiān)控read()是否可讀。當(dāng)語音識別模塊LD3320有識別結(jié)果時(shí)，將在中斷引腳輸出高電平以觸發(fā)系統(tǒng)中斷，結(jié)束驅(qū)動程序中的等待狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)用程序可以通過read()函數(shù)讀取LD3320的識別結(jié)果，并寫入到相應(yīng)共享內(nèi)存區(qū)M中。在沒有中斷時(shí)，read()函數(shù)將被阻塞，如圖6所示。

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