1 引言

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

　　2 硬件設(shè)計

　　根據(jù)競技機器人的功能要求進行總體設(shè)計，將各個功能進行模塊化壮煎，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示赛琢。中央處理器采用微控制器結(jié)構(gòu)，用以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運行触迄。舵機控制機器人的運動方向悴碳；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)行元件夷呐。設(shè)置了兩路超聲波傳感器瞻窗、8路光電檢測輸入和8路開關(guān)量檢測接口伶丐。整個機器人的運行狀態(tài)和運行參數(shù)通過LCD動態(tài)顯示悼做。

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　　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哗魂，并實時控制機器人的位置肛走、動作和運行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務(wù)最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運行录别，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源朽色，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微處理器组题，嵌入256 KB高速Flash存儲器葫男，它采用3級流水線技術(shù)，同時進行取指崔列、譯碼和執(zhí)行梢褐，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運行速度赵讯。由于它的尺寸非常小盈咳，功耗極低，抗干擾能力強，適用于各種工業(yè)控制淳某。2個32位定時計數(shù)器溅鞠、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)馍上。因此選用LPC2129為主控制器仙茴，可以獲得設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的智能機器人控制系統(tǒng)哑暮。

　　2．2 無線通信接口設(shè)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)模塊贫介。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)掘鱼，其特點是：①有兩個頻道可供選擇翠蓄，工作速率高達20 Kb／s；②接收發(fā)射合一鸣拦，適合雙工和單工通信抢纹，因而通信方式比較靈活；③體積小葱妒，所需外圍元件少谚剿，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求连锯；④可直接接單片機串口模塊归苍，控制簡單；⑤抗干擾能力強运怖；⑥功耗小拼弃，通信穩(wěn)定。

　　2．3 光電檢測模塊設(shè)計

　　2．3．1 光電檢測過程

　　設(shè)計光電檢測模塊摇展，使機器人能夠檢測地面上的白色引導(dǎo)線吻氧。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所示咏连。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法盯孙。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達幾兆赫茲或十幾兆赫茲祟滴，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)振惰，因此能夠滿足要求。光源驅(qū)動主要負責(zé)將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動光源發(fā)光垄懂。光源采用紅外發(fā)光二極管骑晶，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射庵恨。

　　接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線迄帘，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栃薇狻＿@種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大后才能進行處理榔况。調(diào)制信號的放大采用交流放大形式峡逆，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钩榄。調(diào)制信號處理部分對放大后的信號進行識別念弧，判斷被檢測對象的特性。因此武也，該模塊的本質(zhì)是將“交流”的依播、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耿逐，從而達到抗干擾的目的娱必。

　　2．3．2 光電探頭

　　在機器人底盤前部安裝有光電探頭，共設(shè)置了5個檢測點醇舶，其結(jié)構(gòu)如圖4所示姻蚓。

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　　從理論上講，檢測點越多匣沼，越密狰挡，識別的準確性與可靠性越高。但是硬件的開銷與軟件的復(fù)雜程度也相應(yīng)增加释涛。采用該尋線系統(tǒng)保證了檢測的精確度加叁，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唇撬。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強弱線性變化它匕。檢測出這種變化，即可判斷某一個檢測點是否在白色引導(dǎo)線的上方局荚，從而判斷機器人和白色引導(dǎo)線的相對位置超凳。

　　2．4 超聲波測距傳感器設(shè)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(yù)測機器人相對目的地距離耀态，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接暂雹。整個超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波發(fā)射首装、超聲波接收和單片機控制等部分組成硝锨。發(fā)射部分由高頻振蕩器枷配、功率放大器及超聲波換能器組成鹿逞。經(jīng)功率放大器放大后棵里，通過超聲波換能器發(fā)射超聲波辜色。

　　圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路形纺，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藐捉。其工作過程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對應(yīng)的高頻電壓信號啰痒，該信號通過反向器U1C變?yōu)闃藴史讲ㄐ盘枺俳?jīng)功率放大既蛙，C2隔除直流信號后加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發(fā)射仲侈。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蓖社，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理秆惑。U2A為74ALS00與非門，control_port(控制端口)引腳為控制口衍止，當control_port為高電平時哗蛋，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。

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　　圖6示出為超聲波接收電路园担。超聲波接收換能器采用MA40S2R届谈，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)過三級放大后弯汰，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉(zhuǎn)換為TTL脈沖信號疼约。INT_Port與單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號后蝙泼，單片機立即進入中斷并對超聲波信號進行處理和判斷程剥。

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　　3 實時操作系統(tǒng)μC／OS—II的移植

　　μC／OS—II是一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務(wù)調(diào)度汤踏、任務(wù)管理织鲸、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能溪胶。μC／OS—II進行任務(wù)調(diào)度時搂擦，會把當前任務(wù)的CPU寄存器存放到該任務(wù)堆棧中，然后再從另一個任務(wù)堆棧中恢復(fù)原來的工作寄存器哗脖，繼續(xù)運行另一個任務(wù)瀑踢。

　　根據(jù)各個控制功能和微控制器的資源結(jié)構(gòu)對任務(wù)進行劃分，共劃分為7個應(yīng)用任務(wù)才避，其劃分過程如圖7所示咱茂。無線串行通信采用中斷接收方式，保證數(shù)據(jù)接收的實時性棕优。

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　　μC/OS一Ⅱ任務(wù)的建立包括定義任務(wù)堆棧缴碉、設(shè)定任務(wù)優(yōu)先級、初始化該任務(wù)要求的系統(tǒng)硬件及實現(xiàn)具體的控制過程等4部分∮堵牵現(xiàn)以任務(wù)1為例叁乍，介紹應(yīng)用任務(wù)的建立過程。

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　　在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應(yīng)用程序弧定，可使程序的設(shè)計和擴展變得容易则沃，而且無需大的改動即可增加新的功能肝庸。通過將應(yīng)用程序分割成若干獨立的任務(wù)模塊，可大大簡化應(yīng)用程序的設(shè)計過程章迎；而且能快速吓死、可靠地對實時性要求苛刻的事件。通過有效的系統(tǒng)服務(wù)律坎、嵌入式實時操作系統(tǒng)统岭，能使系統(tǒng)資源得到更好的利用。

　　4 調(diào)試運行

　　在機器人控制系統(tǒng)起動時粉臊，μC／OS一Ⅱ?qū)Χ褩草添？臻g、各個控制寄存器和外設(shè)器件的硬件進行初始化扼仲，并設(shè)定當前各個功能部件的初始狀態(tài)远寸。

　　在實時機器人系統(tǒng)下，機器人正常啟動后屠凶，系統(tǒng)實時監(jiān)視機器人在比賽場上的運行狀況驰后，若出現(xiàn)某一動作或功能無效則給出出錯信息。正常運行時實時顯示機器人在比賽場上的坐標值和動作狀態(tài)矗愧，如圖8所示灶芝。

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　　5 結(jié)語

　　根據(jù)智能機器人的控制要求，設(shè)計了基于無線通信的嵌入式機器人控制系統(tǒng)唉韭。在軟件設(shè)計上移植了嵌人式實時操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ夜涕。利用光電檢測模塊和超聲波導(dǎo)航模塊感知外部信息，實現(xiàn)了對智能機器人的控制属愤。

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