随着对高处理能力、实时多任务、网络通信、超低功耗需求的增长，高端嵌入式处理器已经得到了普遍的重视和应用。基于RISC架构的ARM处理器以其高速度、低功耗、高性能、小体积等诸多优点而成为各类产品中选用较多的嵌入式处理器。特别是以ARM微处理器所构成的嵌入式系统以其优越的特性迎合了智能机器人对于体积、重量、功耗、实时性等方面的不断要求。
笔者选用了基于ARM7TMDI芯片的ARM7开发板EC2020作为运动规划层主控计算机构成嵌入式控制系统，如图6所示。EC2020是一款功能强大的微功耗的嵌入式数据采集控制器，具备丰富的外围接口(调试接口、A/D、I/O、USB、CAN、PWM、键盘、LCD等)，可广泛应用于工程车辆运行参数控制、电力系统及各种环境监控领域，价格低廉、品质优良、可靠性高，是一款微功耗一体化控制器。EC2020板载RS485串行接口和CAN总线接口，通过无线串行通讯收发器与遥操作计算机进行无线串行通讯，通过CAN总线与运动控制层处理器和传感反馈层进行通讯。
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图6 ARM7开发板EC2020
DSP2812
下位机采用DSP2812芯片作为运动控制层的处理器负责实时性要求较高的伺服驱动控制。目前，采用高速、高性能的DSP进行机器人控制已逐步成为主要的控制方式之一。采用高性能DSP伺服控制不仅充分发挥其信号处理能力强、实时性高等特点，而且更适合于智能移动机器人的小型化、强功能的要求。
DSP作为机器人控制器在高精度伺服控制中的应用主要体现在:
D
SP用于机器人的运动控制系统，特别适合解决与复杂的算法有关的控制问题。
在智能机器人中使用DSP，将大大地提高机器人在目标识别、运动规划、避障能力等方面的能力。
对于小型机器人更能显示出芯片重量轻、体积小、功能强的特点，为实现机器人的小型化、轻量化提供了很好的条件。
使用DSP芯片开发的伺服控制系统，完全可以满足通讯的要求，而且除了可以完成伺服控制以外，还可以实现如故障处理、报警等功能。
TMS320DSP2812除了具有一般DSP的优点外，它还采用高性能静态CMOS技术，电压从5V降为3.3V，减少了功耗。并且指令执行速度提高到40MIPS，使其可以通过采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高系统的性能，而且它具有电机控制应用所必需的外设。相比专为数字电机控制而设计的TMS320LF2407A来说，TMS320DSP2812的处理速度LF2407的5倍，其AD转换模块为12位，转换精度更高。在机器人系统中，选用了DSP2812作为运动控制层的处理器，其主要优点体现在:高精度、高可靠性、高集成度以及高灵活性。图7所示为DSP2812电机控制板。
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图7 DSP2812电机控制板
伺服控制
在控制器设计中既考虑了与主控制器ARM7的协调通讯，又考虑了机器人的实时控制性能、伺服控制精度，并且能在伺服控制器上进行控制优化和将来的功能扩展。从图4可以看出，基于ARM+DSP的网络直流伺服驱动器是用于对机器人的8个电机进行伺服控制。
采用直流有刷电机(Maxon DC Motor)作为执行元件，具有体积小、输出力矩大、控制简便等特点。增量式光电码盘具有测量精度高，机械结构简单的特点，在机器人设计中被广泛采用。码盘集成于电机尾部，属于差分型增量式光电码盘。两路正交的编码脉冲信号经DSP4倍频后，电机每转将输出4000个脉冲信号，这将大大提高机器人的控制精度。DSP运动控制单元的系统结构如图8所示。驱动器采用了专用直流有刷电机驱动器并通过光电码盘来完成。所选用的电机驱动器内部采用PWM原理对电机的转速进行控制，同时设计有电流限制电路，避免了PID算法在电机刚启动时将全压作为输入而引起电流过载。
机器人的运动控制包括4个履带和轮子的运动控制以及4个摆臂的摆动控制，控制方法相同，其速度和输出力矩的区别依赖于与电机集成的减速器的差别。
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图8 电机控制单元结构图
CAN总线通讯
移动机器人控制中很重要的一个方面是组成系统的通讯网络结构。CAN总线(Controller Area Network)是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，已成为一种总线标准。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1Mbps，通信距离可达10km。其最大特点是纠错能力强，支持差分收发和高实时性高可靠性，已在工业自动化、建筑物环境控制、机床、医疗设备、机器人等领域得到了较广泛的应用。
机器人控制的信息量大，对通信方面的要求很高，要保证各种信息在控制系统中及时准确的传输，通信工具的选择十分重要。设计中充分利用了TMS320DSP2812中CAN总线模块的功能，将8个下位机DSP控制板与主控计算机ARM7一起构成一个基于CAN 总线结构的控制网络，以实现数据的高速传输，其总线网络如图9所示。
在机器人控制系统中，由于要实现复杂的运动控制，除了机器人的前、后、转向运动以外还包括各个摆臂的运动，而且各个摆臂的控制要准确、可靠，各个运动要实现协调控制以便完成复杂的越障动作。采用CAN总线通讯方式使得与机器人各部件相连每一个CAN总线控制器都同时具有数据传输和现场控制功能，各个DSP与ARM间的通信实时性得以保证。各底层DSP控制器通过总线连接，只要所有器件都遵守相同的通讯协议，就可以稳定可靠的进行信息传输。这种通讯方式降低了连线的复杂程度，提高了通讯速度，增强了系统的稳定性。由于只用两根线进行通讯，结构十分灵活，可以满足设计要求。
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图9 控制系统CAN总线网络
传感器系统
由于系统要求机器人可以实现半自主的运动，所以，机器人系统包括了必要的传感器系统。
视觉传感器
视觉系统作为移动机器人实时感知远端环境信息以及为机器人自主运动提供丰富的信息的重要手段，是机器人不可或缺的部分。考虑到视觉传输、处理量大，对主控计算机的容量、速度等要求很高，设计中采用了单独的视觉处理计算机来完成视觉系统的处理与传输。
测距传感器
测距传感器笔者选择了高精度的超声传感测距传感器(SRF08 Ultra sonic range finder)，如图10所示，作为感知机器人与环境障碍的距离信息。该传感器的检测范围可以从最短的3cm到最远的6m范围内检测距离信息，远距离的检测通过障碍物的感知和测距来完成避障、跟墙等运动，而近距离的检测则可以用于和障碍物的交互越障。另外，该传感器还具有体积小、重量轻、工作稳定可靠等特点，属于高性能超声传感器一类。
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图10 SRF08 Ultra sonic range finder
姿态感知传感器
除了要能够感知复杂地形的存在之外，机器人还要能够获取足够的有关自身状态的信息。一个重要的状态信息是车体的姿态信息，也就是车体相对于水平面的俯仰和侧倾情况。这两个角度的变化将直观地反映出机器人的稳定状态。为此选用集成两个方向的AT-201-SC双轴倾角仪，分别检测与主车体纵向平行的俯仰角和与主车体侧向平行侧倾角,如图11所示。 |
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