基于無線通信的嵌入式機器人控制系統(tǒng)設計

　　1 引言

　　輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內(nèi)容，它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，是一個典型的智能控制系統(tǒng)。智能機器人比賽集高科技、娛樂、競技于一體，已成為國際上廣泛開展的高技術對抗活動?，F(xiàn)以ARM7處理器為控制核心，采用無線通信技術，并移植嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/0S一Ⅱ設計了一套智能機器人控制系統(tǒng)。

　　2 硬件設計

　　根據(jù)競技機器人的功能要求進行總體設計，將各個功能進行模塊化，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。中央處理器采用微控制器結構，用以控制外圍設備協(xié)調(diào)運行。舵機控制機器人的運動方向;驅(qū)動電機電動機采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)。電磁鐵作為機械手夾緊的執(zhí)行元件。設置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測輸入和8路開關量檢測接口。整個機器人的運行狀態(tài)和運行參數(shù)通過LCD動態(tài)顯示。

　　2.1 微控制器的選型

　　機器人要實現(xiàn)的動作和功能較多，需要多個傳感器對外界進行檢測，并實時控制機器人的位置、動作和運行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC/0S一Ⅱ上運行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位ARM7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲器，它采用3級流水線技術，同時進行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強，適用于各種工業(yè)控制。2個32位定時計數(shù)器、6路PWM輸出和47個通用I/0口，所以特別適用于對環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機器人系統(tǒng)。因此選用LPC2129為主控制器，可以獲得設計結構簡單、性能穩(wěn)定的智能機器人控制系統(tǒng)。

　　2.2 無線通信接口設計

　　系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開發(fā)，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb/s;②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活;③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求;④可直接接單片機串口模塊，控制簡單;⑤抗干擾能力強;⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

　　2.3 光電檢測模塊設計

　　2.3.1 光電檢測過程

　　設計光電檢測模塊，使機器人能夠檢測地面上的白色引導線。光電檢測電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應速度快，其工作頻率可達幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百千赫茲范圍之內(nèi)，因此能夠滿足要求。光源驅(qū)動主要負責將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射。

　　接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。這種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大后才能進行處理。調(diào)制信號的放大采用交流放大形式，可以將調(diào)制光信號與背景光信號分離開來，為信號處理提供方便。調(diào)制信號處理部分對放大后的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，該模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號從“直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗干擾的目的。

　　2.3.2 光電探頭

　　在機器人底盤前部安裝有光電探頭，共設置了5個檢測點，其結構如圖4所示。

　　從理論上講，檢測點越多，越密，識別的準確性與可靠性越高。但是硬件的開銷與軟件的復雜程度也相應增加。采用該尋線系統(tǒng)保證了檢測的精確度，也節(jié)約了硬件的開銷。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強弱線性變化。檢測出這種變化，即可判斷某一個檢測點是否在白色引導線的上方，從而判斷機器人和白色引導線的相對位置。

　　2.4 超聲波測距傳感器設計與實現(xiàn)

　　兩路超聲波傳感器用以控制機器人避開障礙物，并預測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過超聲波換能器發(fā)射超聲波。

　　圖5給出由數(shù)字集成電路構成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號通過電容C2隔除掉了信號中的直流量并給超聲波換能器MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號，該信號通過反向器U1C變?yōu)闃藴史讲ㄐ盘?，再?jīng)功率放大，C2隔除直流信號后加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長時間加直流電壓，會使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理。U2A為74ALS00與非門，control_port(控制端口)引腳為控制口，當control_port為高電平時，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。

　　圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對換能器接收到的信號采用集成運算放大器LM324進行信號放大，經(jīng)過三級放大后，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉(zhuǎn)換為TTL脈沖信號。INT_Port與單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號后，單片機立即進入中斷并對超聲波信號進行處理和判斷。