利用ARM和Linux實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的控制

引 言

現(xiàn)有智能機(jī)器人用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)一般都是用單片機(jī)或者高速的DSP等進(jìn)行控制，智能機(jī)器人之所以叫智能機(jī)器人，這是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”。在腦中起作用的是中央計(jì)算機(jī)，這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是，這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作。正因?yàn)檫@樣，我們才說這種機(jī)器人才是真正的機(jī)器人，盡管它們的外表可能有所不同。而且同一機(jī)器人往往需用多個(gè)CPU來實(shí)現(xiàn)各自的功能，但隨著對(duì)機(jī)器人的智能化要求越來越高，需要一種新的控制器（使用一個(gè)處理器）來滿足機(jī)器人的各種行為要求，例如視頻采集、無線通信。本文介紹的利用ARM實(shí)現(xiàn)的智能機(jī)器人平臺(tái)，為智能機(jī)器人的開發(fā)提供了一個(gè)新方法。Linux的引入使其他智能模塊都以設(shè)備的形式存在，只有在用戶需要的時(shí)候才調(diào)用相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)從而使數(shù)據(jù)融合更方便，運(yùn)行多任務(wù)也更穩(wěn)定。

利用ARM和嵌人式Linux作為智能機(jī)器人平臺(tái)具有很大的優(yōu)勢(shì)，但在國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)用該平臺(tái)開發(fā)智能機(jī)器人的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)完成了對(duì)該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的初步編寫，并通過實(shí)際驗(yàn)證，取得了良好效果。

1 驅(qū)動(dòng)電路及測速方法

1.1 總體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。

本設(shè)計(jì)采用的LMD18200的真值表如表1所列。通過ARM的I/0口（例如D口的DO~3）來控制電機(jī)的工作狀態(tài)。

1.2 測速方法

ARM沒有捕獲外部脈沖的計(jì)數(shù)器，它的定時(shí)器是用來計(jì)算內(nèi)部脈沖的。碼盤輸出信號(hào)接外部中斷處理程序（EINTl）并設(shè)置上沿觸發(fā)變量，在中斷中設(shè)置一全局變量i,用i++累加。設(shè)置定時(shí)器timer0,使它O.36 s產(chǎn)生1次內(nèi)部定時(shí)器中斷。當(dāng)一個(gè)定時(shí)器周期完成時(shí)引發(fā)定時(shí)器中斷，在timer0中斷中讀出i的值，即得到O.36 s內(nèi)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數(shù)；接著將i清零，為下一個(gè)定時(shí)器周期捕獲脈沖作準(zhǔn)備。

1.3 測量精度分析

智能機(jī)器人選用的光碼盤精度為256線，即256脈沖/轉(zhuǎn)。電機(jī)減速比為1:71,車輪半徑R為6 cm,車輪間距為41.1 cm.車輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)n=71×256=18 176,可以得到每個(gè)脈沖之間的距離d=27πR/n=2×3.14×0.06/18 176=0.207×10-4m,即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的控制精度達(dá)0.02 mm.考慮到負(fù)載變化的影響，理論值與實(shí)際值會(huì)出現(xiàn)誤差，因此在控制精度d前乘以一個(gè)修正系數(shù)k.表2為機(jī)器人直線行走的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出，k為1.10誤差較小，最接近真實(shí)值，因此該值就是所需的比例系數(shù)。

2 速度調(diào)節(jié)

一般的PID調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)是工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式，在各種自控書籍及資料中，也經(jīng)?？吹絇ID這個(gè)字眼，那么什么是PID調(diào)節(jié)呢，PID是英文單詞比例（Proportion），積分（Integral），微分（Differential coefficient）的縮寫。PID調(diào)節(jié)實(shí)際上是由比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)方式組成，它們各自的作用如下：比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)偏差E較大時(shí)（如啟動(dòng)或大幅度提速時(shí)），由于積分的作用會(huì)產(chǎn)生很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)振蕩，因此選用積分分離的方法，開始時(shí)取消積分作用，直到被調(diào)量相差不多時(shí)才引入積分作用。具體步驟如下：

①設(shè)定一個(gè)值a>0,E（m）一R（m）一M（m），其中R（m）為給定值，M（m）為測量值；

②當(dāng)E（m）≥a時(shí)，采用PD控制，可以避免過大的超調(diào)，又可以使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；

③當(dāng)E（m）≤n,即偏差值E（m）比較小時(shí)，采用PID控制，可以保證系統(tǒng)的精度。

使用積分分離方法后顯著降低了被控變量的超調(diào)量并縮短了過渡時(shí)間，使調(diào)節(jié)性能得到改善。

3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2、圖3、圖4所示。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。它作為應(yīng)用和實(shí)際設(shè)備之間的軟件層，為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。對(duì)于應(yīng)用程序，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)，讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用到的結(jié)構(gòu)如下：

設(shè)備打開的時(shí)候就會(huì)調(diào)用dcmotor__open函數(shù)進(jìn)行申請(qǐng)中斷號(hào)。帶內(nèi)存管理的單元的地址映射，設(shè)置B端口的2、3引腳為PWM輸出，端口D配置為電機(jī)使能剎車制動(dòng)引腳。

以下所有的函數(shù)都是在ioctl（）中實(shí)現(xiàn)的。在Dcmo-tor_Start里調(diào)用timer0_2_3_start（），設(shè)置timer0為接收兩路電機(jī)的碼盤信號(hào)，并檢測電機(jī)速度；timer2、timer3提供2路PWM輸出，并設(shè)置定時(shí)器自動(dòng)重載。具體實(shí)現(xiàn)如下：

Select_Speed可以動(dòng)態(tài)選擇要運(yùn)行的速度。它是用戶的接口，用戶可以調(diào)用該函數(shù)把速度值傳到驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)。例如，在應(yīng)用程序中執(zhí)行ioctl（fdl,

timer0中斷是核心程序，它可根據(jù)PID的調(diào)節(jié)值來改變占空比。為了便于隨時(shí)改變占空比的值可定義兩個(gè)全局變量tmp2、tmp3,通過把它們的值寫入TCMPB來改變占空比。

在All_Forward、All_Back、All_Stop中，通過設(shè)置端口DO~3的高低電平，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止；在Left_Curve、Right_Curve中，設(shè)置左右輪的旋轉(zhuǎn)方向，使兩輪旋轉(zhuǎn)方向不同，再根據(jù)差速在應(yīng)用程序中給定預(yù)定時(shí)間，以達(dá)到轉(zhuǎn)彎效果。

4 結(jié) 論

利用ARM和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的閉環(huán)控制是可行的，閉環(huán)控制是控制論的一個(gè)基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制論中，閉環(huán)通常指輸出端通過"旁鏈"方式回饋到輸入，所謂閉環(huán)控制。輸出端回饋到輸入端并參與對(duì)輸出端再控制，這才是閉環(huán)控制的目的，這種目的是通過反饋來實(shí)現(xiàn)的。而且可以充分利用ARM的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)其他智能模塊的擴(kuò)展。