基于LPC2106微處理器實(shí)現(xiàn)微型足球機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：關(guān)慧貞，劉贊，魏永，王蘭蘭

以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)深入到生活的各個(gè)方面。相對(duì)于其它領(lǐng)域，智能機(jī)器人系統(tǒng)可以說(shuō)是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型、最廣泛的領(lǐng)域之一。本文對(duì)嵌入式系統(tǒng)在足夠機(jī)器人底層控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 足球機(jī)器人系統(tǒng)

足球機(jī)器人是計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、決策對(duì)策、自動(dòng)控制、無(wú)線通信、智能體設(shè)計(jì)與電力傳動(dòng)、多智能體合作等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合體，是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)。足球機(jī)器人比賽集高科技、娛樂(lè)、競(jìng)技于一體，雖歷時(shí)不長(zhǎng)，但已經(jīng)成為國(guó)際上廣泛開展的高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng)，引起社會(huì)廣泛的關(guān)注。研究與開發(fā)足球機(jī)器人系統(tǒng)，參加機(jī)器人足球賽是研究智能機(jī)器人，跟蹤國(guó)際高科技理論技術(shù)的理想切入點(diǎn)，同時(shí)也是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理論聯(lián)系實(shí)際的極富生命力的成長(zhǎng)點(diǎn)。

從國(guó)內(nèi)外的比賽情況來(lái)看，目前主要是集中視覺的足球機(jī)器人比賽。如圖1所示，在整個(gè)比賽中，視覺系統(tǒng)通過(guò)CCD攝像頭和圖像采集卡對(duì)場(chǎng)上情景進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，把辨識(shí)結(jié)果送給決策系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線發(fā)射器向車體系統(tǒng)發(fā)出一系列控制命令。機(jī)器人根據(jù)主機(jī)命令做出反應(yīng)，在場(chǎng)上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能通過(guò)譯碼器進(jìn)行位置控制以及基于傳感器進(jìn)行自動(dòng)避障和簡(jiǎn)單識(shí)別環(huán)境。

通常足球機(jī)器人系統(tǒng)可以劃分為機(jī)器人(車體)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)和決策子系統(tǒng)四個(gè)部分，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)閉環(huán)而構(gòu)成智能決策和控制系統(tǒng)(如圖2)。從圖2中可以看到，足球機(jī)器人車體是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它直接體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的性能。小車的性能主要由車體性能與車載嵌入式控制系統(tǒng)——微型足球機(jī)器人底層控制系統(tǒng)決定。當(dāng)小車車體具有了良好的運(yùn)動(dòng)性能后，小車的性能就由車載嵌入式系統(tǒng)決定了。因此構(gòu)建一個(gè)快速、安全、可靠的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)任務(wù)

通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)接受決策子系統(tǒng)傳來(lái)的控制指令;根據(jù)運(yùn)動(dòng)指令控制小車左右輪轉(zhuǎn)速;通過(guò)傳感器判斷場(chǎng)上環(huán)境信息，輔助機(jī)器人定位及運(yùn)動(dòng)。

2.2 微處理器選型

傳統(tǒng)的微處理器如51、96系列應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，雖然開發(fā)周期短，成本低，但其實(shí)時(shí)性不好，復(fù)雜的控制算法難以實(shí)現(xiàn);另外，增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，使機(jī)器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速DSP的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化，但其開發(fā)套件成本高。與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。

LPC2106是飛利浦帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，嵌入128KB高速Flash存儲(chǔ)器。采用3級(jí)流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為主要要求的應(yīng)用。多個(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出和32個(gè)GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)。本文就是以LPC2106為核心，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的足球機(jī)器人車體系統(tǒng)。

2.3 車體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電路。LPC2106產(chǎn)生的PWM波經(jīng)專門的集成電路雙H橋驅(qū)動(dòng)器L298放大，驅(qū)動(dòng)左右輪電機(jī)。編碼器輸出兩路具有90度相位差的脈沖，經(jīng)正交脈沖解碼，為CPU提供反饋的計(jì)數(shù)值和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。LPC2106透過(guò)無(wú)線接收模塊接收主機(jī)命令，并融合外傳感器電路反饋的環(huán)境變量進(jìn)行電機(jī)的PID閉環(huán)控制。CPU保留JTAG在線調(diào)試接口，方便程序的編寫、下載和升級(jí)。系統(tǒng)硬件組成原理圖如圖3所示。

(1)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路

微型直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能和非常高的效率廣泛的應(yīng)用于小功率系統(tǒng)中。為了控制直流電動(dòng)機(jī)，采用定頻脈寬調(diào)制(PWM)控制。這里，由于LPC2106本身就帶有6個(gè)PWM輸出口，直接輸出控制信號(hào)即可，無(wú)須另加電路。不過(guò)，其輸出的PWM波功率有限，須由驅(qū)動(dòng)電路放大后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

考慮到電壓、電流的等級(jí)尺寸、外觀等因素，采用了L298來(lái)代替三級(jí)管所構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。L298驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

L298是恒壓恒流雙H橋集成電機(jī)芯片，可同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)，且輸出電流可達(dá)到2A。L298的EN A(第6引腳)、EN B(第11引腳)分別與LPC2106的PWM4和PWM6相連，作為調(diào)制信號(hào)。SENSE A，SENSE B為電流反饋引腳。電機(jī)控制方向引腳如表1所列。

Vss電壓最小為4.5V，最大可達(dá)36V;Vs電壓最大值也是36V。但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，Vs電壓應(yīng)該比Vss電壓高，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

(2)無(wú)線接收模塊

小車通過(guò)無(wú)線接收模塊接收主機(jī)發(fā)出的命令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通信的高速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，它將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的采樣周期。采用PTR2000模塊作為控制核心，它的顯著特別是所需要外圍元件少，設(shè)計(jì)非常的方便。傳統(tǒng)的無(wú)線通信電路方案不是電路復(fù)雜就是調(diào)試?yán)щy，PTR2000是一款基于nRF401芯片的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，最高通信速率為20Kb/s，工作距離為10m內(nèi)。采用抗干擾能力較強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式，其工作頻率穩(wěn)定可靠，功耗極低且靈敏度極高，非常適合小型化的設(shè)計(jì)且其頻率433.92MHz與434.33MHz可選，很好地滿足了比賽的要求。

圖5給出了PTR2000與LPC2106的接口電路圖。其中，DO、DIIV與分別LPC2106的TXD0(13引腳)和RXD0(14引腳)相連，作為串行通信的通道。CS為PTR2000模塊的頻率選擇信號(hào)，PWR為模塊節(jié)能引腳，正常工作為高電平。TXEN是模塊發(fā)射接收控制，由LPC2106的I/O口控制。PRT2000是收發(fā)一體的集成芯片，采用3.3V供電，可以與LPC2106進(jìn)行無(wú)縫連接。PRT2000作為發(fā)射端與PC機(jī)相連時(shí)，需要通過(guò)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器(這里用MAX3232)轉(zhuǎn)換成RS-232電平。

主機(jī)采用廣播式通信方式，依次發(fā)送13個(gè)字節(jié)，如圖6所示，足球機(jī)器人根據(jù)ID指針去響應(yīng)相應(yīng)的字節(jié)，并校驗(yàn)啟動(dòng)位及自身ID校驗(yàn)字節(jié)，進(jìn)行取舍。

(3)傳感器模塊

場(chǎng)上形勢(shì)瞬息萬(wàn)變，單純依靠視覺系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)空跑、頂?；驇騺G失等情況。為了穩(wěn)定帶球以及避免碰撞，有必要增加相應(yīng)的傳感器來(lái)識(shí)別場(chǎng)上的物體，實(shí)現(xiàn)避障與帶球功能。

(4)電源模塊

系統(tǒng)用同一電源給IC和電機(jī)供電，電池采用8.4V的可充電鋰電池。除直接給電機(jī)供電外，還需分出5V給外圍設(shè)備供電，由于LPC2106是雙電源供電，CPU內(nèi)核為1.8V，I/O口需要3.3V，所以電流電壓經(jīng)7805轉(zhuǎn)換成5V電壓，由線性穩(wěn)壓器TPS76818QD與TPS75733KTT分別提供1.8V和3.3V電壓。同時(shí)采用專門的電源監(jiān)控芯片MAX708S，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 程序設(shè)計(jì)

程序主要由初始化程序、串行通信程序，可調(diào)整PWM波輸出程序、I/O口控制程序組成。主函數(shù)是一個(gè)響應(yīng)中斷的循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

ARM7是一個(gè)支持多個(gè)操作系統(tǒng)移植的芯片。使用合適的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(例如μCLinux等)來(lái)代替循環(huán)等待結(jié)構(gòu)的主程序，使程序設(shè)計(jì)的任務(wù)大大簡(jiǎn)化，方便了系統(tǒng)任務(wù)的擴(kuò)充，有利于系統(tǒng)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型。從系統(tǒng)移植的角度看，ARM比傳統(tǒng)的51、96系列，甚至DSP單片機(jī)都具有明顯的優(yōu)越性。

3 結(jié)論

本文研究和設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM7微處理器的車載嵌入式系統(tǒng)，不僅滿足了微型足球機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求，同時(shí)，也為機(jī)器人的轉(zhuǎn)型應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支持。

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