2021年04月09日 | 基于μC/0S一Ⅱ和LPC2129微控制器实现智能机器人控制系统的设计

1 引言

轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容，它集机械、、检测技术与智能控制于一体，是一个典型的智能控制系统。智能机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体，已成为国际上广泛开展的高技术对抗活动。现以7处理器为控制核心，采用无线通信技术，并移植嵌入式实时操作系统μC/0S一Ⅱ设计了一套智能机器人控制系统。

2 设计

根据竞技机器人的功能要求进行总体设计，将各个功能进行，其控制系统硬件框图如图1所示。中央处理器采用微控制器结构，用以控制外围设备协调运行。舵机控制机器人的运动方向;驱动采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机驱动车轮旋转。作为机械手夹紧的执行元件。设置了两路超声波、8路光电检测输入和8路量检测。整个机器人的运行状态和运行参数通过LCD动态显示。

2.1 微控制器的

机器人要实现的动作和功能较多，需要多个传感器对外界进行检测，并实时控制机器人的位置、动作和运行状态。系统中的所有任务最终都挂在实时操作系统μC/0S一Ⅱ上运行，因此不仅要考虑微控制器的内部资源，还要看其可移植性和可扩展性。2129是Philips生产的一款32位ARM7TD—S微处理器，嵌入256 KB高速Flash，它采用3级流水线技术，同时进行取指、译码和执行，而且能够并行处理指令，提高的运行速度。由于它的尺寸非常小，功耗极低，抗干扰能力强，适用于各种工业控制。2个32位定时计数器、6路PWM输出和47个通用I/0口，所以特别适用于对环境要求较低的工业控制和小型智能机器人系统。因此选用LPC2129为主控制器，可以获得设计结构简单、性能稳定的智能机器人控制系统。

2.2 接口设计

系统采用迅通公司生产的PTR2000无线通信数据收发模块。接口如图2所示。该模块基于NORDIC公司生产的器件n401开发，其特点是：①有两个频道可供选择，工作速率高达20 Kb/s;②接收发射合一，适合双工和单工通信，因而通信方式比较灵活;③体积小，所需外围元件少，接口电路简单，因此特别适合机器人小型化要求;④可直接接单片机串口模块，控制简单;⑤抗干扰能力强;⑥功耗小，通信稳定。

2.3 光电检测模块设计

2.3.1 光电检测过程

设计光电检测模块，使机器人能够检测地面上的白色引导线。光电检测电路主要包括发射部分和接收部分，其原理如图3所示。发射部分的波形调制采用了频率调制方法。由于的响应速度快，其工作频率可达几兆赫兹或十几兆赫兹，而检测系统的调制频率在几十至几百千赫兹范围之内，因此能够满足要求。光源驱动主要负责将调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。光源采用发光二极管，工作频率较高，适合波形为方波的调制光发射。

接收部分采用光敏接收调制光线，将光信号转变为电信号。这种电信号通常较微弱，需进行滤波和放大后才能进行处理。调制信号的放大采用交流放大形式，可以将调制光信号与背景光信号分离开来，为信号处理提供方便。调制信号处理部分对放大后的信号进行识别，判断被检测对象的特性。因此，该模块的本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来，从而达到抗干扰的目的。

2.3.2 光电探头

在机器人底盘前部安装有光电探头，共设置了5个检测点，其结构如图4所示。

从理论上讲，检测点越多，越密，识别的准确性与可靠性越高。但是硬件的开销与的复杂程度也相应增加。采用该寻线系统保证了检测的精确度，也节约了硬件的开销。发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱线性变化。检测出这种变化，即可判断某一个检测点是否在白色引导线的上方，从而判断机器人和白色引导线的相对位置。

2.4 超声波测距传感器设计与实现

两路超声波传感器用以控制机器人避开障碍物，并预测机器人相对目的地距离，起导航作用，其接收部分与微控制器的捕获和定时管脚相连接。整个超声波检测系统由超声波发射、超声波接收和控制等部分组成。发射部分由高频振荡器、及超声波换能器组成。经功率放大器放大后，通过超声波换能器发射超声波。

图5给出由数字集成电路构成的超声波振荡电路，产生的高频电压信号通过C2隔除掉了信号中的直流量并给超声波换能器MA40S2S。其工作过程：U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射。如果超声波换能器长时间加直流电压，会使其特性明显变差，因此一般对交流电压进行隔除直流处理。U2A为74ALS00与非门，control_port(控制端口)引脚为控制口，当control_port为高电平时，超声波换能器发射超声波信号。

图6示出为超声波接收电路。超声波接收换能器采用MA40S2R，对换能器接收到的信号采用集成LM324进行信号放大，经过三级放大后，通过电压LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连，当接收到中断信号后，单片机立即进入中断并对超声波信号进行处理和判断。

3 实时操作系统μC/OS—II的移植

μC/OS—II是一个嵌入式实时操作系统内核，包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。μC/OS—II进行任务调度时，会把当前任务的CPU存放到该任务堆栈中，然后再从另一个任务堆栈中恢复原来的工作寄存器，继续运行另一个任务。

根据各个控制功能和微控制器的资源结构对任务进行划分，共划分为7个应用任务，其划分过程如图7所示。无线串行通信采用中断接收方式，保证数据接收的实时性。

μC/OS一Ⅱ任务的建立包括定义任务堆栈、设定任务优先级、初始化该任务要求的系统硬件及实现具体的控制过程等4部分。现以任务1为例，介绍应用任务的建立过程。

在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序，可使程序的设计和扩展变得容易，而且无需大的改动即可增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，可大大简化应用程序的设计过程;而且能快速、可靠地对实时性要求苛刻的事件。通过有效的系统服务、嵌入式实时操作系统，能使系统资源得到更好的利用。

4 调试运行

在机器人控制系统起动时，μC/OS一Ⅱ对堆栈空间、各个控制寄存器和外设器件的硬件进行初始化，并设定当前各个功能部件的初始状态。

在实时机器人系统下，机器人正常启动后，系统实时监视机器人在比赛场上的运行状况，若出现某一动作或功能无效则给出出错信息。正常运行时实时显示机器人在比赛场上的坐标值和动作状态，如图8所示。

5 结语

根据智能机器人的控制要求，设计了基于无线通信的嵌入式机器人控制系统。在软件设计上移植了嵌入式实时操作系统μC/OS一Ⅱ。利用光电检测模块和超声波导航模块感知外部信息，实现了对智能机器人的控制。

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