基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计

基于ARM的嵌入式移动机器人控制系统的设计

《工业控制计算机》２００８年２１卷第７期３１

基于ＡＲＭ的嵌入式移动机器人控制系统的设计＊

ＥｍｂｅｄｄｅｄＭｏｂｉｌｅＲｏｂｏｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＡＲＭ

张捍东

张

彬

岑豫皖（安徽工业大学电气信息学院，安徽马鞍山２４３００２）

摘要

讨论了基于Ｓ３Ｃ２４１０微处理器的移动机器人小车控制系统的硬件设计，以及在嵌入式操作系统ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ下的软件设计。具体分析了各个模块的设计原理、驱动和应用软件的设计。该移动机器人系统具有模块化、易扩展、可移植、硬件体积小、功耗低、实时性强、可靠性高等优点。

关键词：移动机器人，Ｓ３Ｃ２４１０，嵌入式

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｅｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒＳ３Ｃ２４１０ｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｈａｒｄ－ｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＷｉｎｄｏｗｓＣＥｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐｅｒａｔｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉｆｉｃｈａｒｄｗａｒｅｍｏｄｕｌｅｓａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｄｒｉｖｅｒａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｍｏｄｕｌａｒ，ｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ，ｐｏｒｔａｂｌｅ，ｓｍａｌｌｅｒｈａｒｄｗａｒｅ，ｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ，Ｓ３Ｃ２４１０，ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ自主式机器人是当前机器人研究中的一个热点，控制器是机器人系统的核心。随着移动机器人的智能化，控制方法的发展，所需要的计算量加大，一般的单片机等处理器很难完成控制的要求。随着电子技术的不断发展，出现了ＤＳＰ、ＡＲＭ等高性能微处理器，能够进行高性能的运算和控制，在微小型自主机器人中得到广泛的应用。现有机器人系统在硬件和软件开发方面虽然已经逐渐趋于成熟，但依然存在一些问题。如：实时性差，开放性差等。早期的机器人小车系统大多数采用ＭＣＳ－５２或者９６系列的单片机作为主控ＣＵＰ，存在一些问题，如计算负担过重，运算速度过慢，控制精度不高，元件过多，经常出现故障等。

本设计选用三星公司的ＡＲＭ９系列的Ｓ３Ｃ２４１０处理器作为移动机器人小车的控制ＣＰＵ，并在嵌入式系统ＷｉｎｄｏｗｓＣＥ下实现机器人的控制。Ｓ３Ｃ２４１０处理器采用的是ＡＲＭ９２０Ｔ内核，５级流水线指令结构，片内锁相环，内部时钟可达到

Ｓ３Ｃ２４１０有１１７个Ｉ／Ｏ

口和２４个外部中断源，内部

具有丰富的接口控制器如：

ＵＳＢ控制器、ＤＭＡ控制器、ＵＡＲＴ控制器、ＩＩＣ控制器等，

可以简化外围电路，同时其内部时钟可达到２００ＭＨｚ，高性能的指令集以及可以和Ｃ语言交叉汇编，可以完成复杂的运算，提高移动机器人控制的实时性。

图２

嵌入式机器人小车的硬件系统框图

１．２电机驱动单元

电机驱动单元主要完成移动机器人动力系统的驱动功能，能够较好地实现移动机器人的调速及启停功能，从而到达移动机器人的姿态调整的控制功能。对于直流无刷电机的驱动及控制，采用ＭＣ３３０３５和ＭＣ３３０３９来实现直流无刷电机的驱动。

２００ＭＨｚ，因此可以用来进行复杂

的控制算法以提高控制精度。本文将介绍基于Ｓ３Ｃ２４１０和Ｗｉｎｄｏｗｓ

ＭＣ３３０３５包含了开环三相和四相电机控制所需要的全部

有效功能，有良好的整流序列的转子译码器、可提供传感器电源的带温度补偿的参考电压、频率可编程的锯齿波振荡器和可以驱动大功率ＭＯＳＦＥＴ的驱动器组成。ＭＣ３３０３５还有欠压锁定，

图１

移动机器人系统图

ＣＥ系统下移动机器人小车的硬件

该移动机和软件设计，框图见图１。

器人系统具有模块化、易扩展、可移植、实时性强、可靠性高等优点。

可选时间延迟锁存、内部关断及可接入微处理器的错误指示等保护功能。

１硬件的设计

移动机器人小车系统一般由微控制器、电机驱动单元、距离

ＭＣ３３０３９是高性能闭环速度控制适配器，专门设计为用于

无刷直流电机控制系统。实现允许精确的速度调整而不需要磁性或光学速度计。直流无刷电机的驱动电路图３所示。

检测、通讯模块等组成。其系统框图如图２所示。

微控制器主要处理各个传感器的信息，完成移动机器人控制算法的运算和决策。电机驱动单元实现移动机器人两轮的驱动功能。距离检测单元检测移动机器人和障碍物的距离。通讯单元实现移动机器人与上位机或者多机器人间的通信。

ＭＣ３３０３５的Ｂｒａｋｅ（制动）、Ｆ／Ｒ（正反转）、ＯＥ（使能）等引

脚分别接Ｓ３Ｃ２４１０的ＧＰＩＯ口，由Ｓ３Ｃ２４１０来完成电动机的启动、正反转、制动等功能。ＭＣ３３０３９是根据电动机的三个霍尔

元件脉冲信号，通过逻辑关系转换成能够反应速度的脉冲信号，并由ｆｏｕｔ口输出，该端口连接到Ｓ３Ｃ２４１０的计数器，Ｓ３Ｃ２４１０通过定期读取计数器的值来计算电动机的转速。

电机旋转方向的检测电路是把两路霍尔元件经过一个Ｄ

１．１ＣＰＵ控制单元

控制器硬件以Ｓ３Ｃ２４１０处理器为核心，使用２片ＳＤＲＡＭ组成６４ＭＢ动态存储器，１片６４ＭＢ的Ｆｌａｓｈ存储器，ＬＣＤ触摸屏及电源管理芯片。

＊国家自然科学基金项目（５０４０７０１７）和安徽省教育厅自然科学基金项目（２００６ＫＪ０１９Ａ、２００７ＫＪ０５２Ａ）共同资助