采用OpenWrt的基于H橋控制的移動機器人設(shè)計方案

引言

近年來隨著人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對移動機器人的研究越來越廣泛。本設(shè)計是采用OpenWrt操作系統(tǒng)的移動機器人，它可實現(xiàn)多種不同功能，如探測險情、巡視、圖像采集、定位、無線通信等。它還可以作為各種智能控制方法（包括動態(tài)避障、路徑規(guī)劃、群體協(xié)作策略）的良好載體，開展研究。

1 系統(tǒng)方案

采用2層架構(gòu)。上層以ARM處理器S3C2440為核心，選用MINI2440開發(fā)板作為上層的主板，負責(zé)圖像采集，并將圖像通過Wi？Fi方式發(fā)送給遠端的PC機。Wi？Fi無線通信是利用PC機與無線路由器搭建環(huán)境平臺共同實現(xiàn)的。

下層是以51單片機為核心的單片機控制板，由51單片機及外圍電路組成。下層主要負責(zé)機器人移動控制，傳感器數(shù)據(jù)處理。51單片機通過I/O口輸出PWM信號控制直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)機器人的前進、停止、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。單片機接口電路上掛接了1個超聲波測距模塊、1個人體紅外感應(yīng)模塊、1個步進電機模塊。超聲波測距模塊用來實現(xiàn)機器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個步進電機，而超聲波測距模塊安置在步進電機的轉(zhuǎn)軸上，步進電機不停地來回轉(zhuǎn)動，超聲波測距模塊也隨之轉(zhuǎn)動。這樣用1個超聲波測距模塊就可實現(xiàn)多方位測距，從而減少了超聲波測距模塊的數(shù)量。

機器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。軟件包括：嵌入式Linux操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動程序、Linux應(yīng)用程序以及單片機應(yīng)用程序等。系統(tǒng)沒有選用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊徑，選用一種獨特的嵌入式Linux發(fā)行版之一OpenWrt作為操作系統(tǒng)。OpenWrt提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理，它通過簡單易用的方式，降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻，提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。

嵌入式智能移動機器人的工作流程為：傳感器模塊實時采集周圍環(huán)境信息，將此數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綑C器人控制系統(tǒng)中，單片機通過數(shù)據(jù)分析獲取有效數(shù)據(jù)，從而獲知機器人與障礙物的相對位置，然后根據(jù)此位置信息產(chǎn)生控制信號;單片機產(chǎn)生PWM信號控制直流電機來控制機器人轉(zhuǎn)向，從而達到機器人自主“行走”的目的。下層的單片機與上層的ARM處理器通過串口來通信，ARM主板可將下層單片機控制板的工作數(shù)據(jù)通過無線Wi？Fi的方式傳輸?shù)竭h端的PC機。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現(xiàn)場圖片發(fā)給遠端的PC控制終端。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)主要由以下模塊構(gòu)成：圖像采集模塊、無線通信模塊、超聲波測距模塊、紅外感應(yīng)模塊、MINI2440、單片機STC89C52以及直流電機驅(qū)動模塊等。下面重點介紹直流電機驅(qū)動模塊。

直流電機驅(qū)動模塊以L298N芯片為核心，該芯片具有帶載能力強的特點。直流電機驅(qū)動電路如圖2所示。驅(qū)動電路芯片的外圍電路主要是由二極管構(gòu)成的電橋電路與2組電機并聯(lián)連接，以達到控制電機按照設(shè)定運轉(zhuǎn)的目的。

圖2 直流電機驅(qū)動電路

責(zé)編AJX