以嵌入式處理器S3C2440為核心的多任務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳解

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的需要，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，正在滲透到各行各業(yè)中，使人們的生活更加便利?，F(xiàn)今以單片機(jī)為核心的移動(dòng)機(jī)器人存在處理數(shù)據(jù)量有限、控制系統(tǒng)速度低、人機(jī)交互機(jī)制單一等缺點(diǎn)，不能滿足機(jī)器人多任務(wù)的要求。系統(tǒng)中增加協(xié)處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應(yīng)用，雖然可以管理多種傳感器，但這種結(jié)構(gòu)卻增加了硬件的冗余度和復(fù)雜度，見(jiàn)參考文獻(xiàn)。為此，提出了以嵌入式處理器S3C2440為核心的多任務(wù)機(jī)器人控制系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)小車(chē)為移動(dòng)式機(jī)器人平臺(tái)，后輪為一個(gè)尼龍萬(wàn)向輪。處理器為三星公司的S3C2440，系統(tǒng)主頻最高可達(dá)533MHz，外接512MB的NANDFlash和64MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，滿足移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的需求，如圖1所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)工作過(guò)程如下：語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320通過(guò)SPI總線接口接人ARM處理器，處理器可以對(duì)識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行分析和匯總，并通過(guò)查表提取出操作人員的命令碼；同時(shí)，處理器通過(guò)串口讀取機(jī)器人當(dāng)前的航向信息；超聲波測(cè)距和紅外線地面檢測(cè)模塊由處理器的GPIO引腳控制；通過(guò)控制兩自由度的云臺(tái)，可以進(jìn)行多方位的超聲波障礙物檢測(cè)，利用LD3320模塊的MP3播放功能播放所檢測(cè)到的障礙物距離和路況信息。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)和所識(shí)別的操作人員的命令碼，利用信息融合技術(shù)提取環(huán)境特征，通過(guò)路徑規(guī)劃技術(shù)作出決策，控制電機(jī)狀態(tài)，最終控制機(jī)器人的姿態(tài)。

2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)中所有要處理的任務(wù)劃分為不同的、相互獨(dú)立的任務(wù)模塊。根據(jù)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求，可將任務(wù)劃分為：語(yǔ)音識(shí)別、航向測(cè)量與計(jì)算、超聲波測(cè)距、電機(jī)控制、信息處理等任務(wù)。

2．1進(jìn)程的創(chuàng)建與狀態(tài)轉(zhuǎn)換

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)在初始化完成后，利用系統(tǒng)調(diào)用fock機(jī)制分別為語(yǔ)音識(shí)別、航向測(cè)量與計(jì)算和超聲波測(cè)距等任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的子進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。進(jìn)程創(chuàng)建成功后，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)調(diào)度算法進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，這使系統(tǒng)在行駛過(guò)程中，能夠及時(shí)響應(yīng)語(yǔ)音命令。

2．2進(jìn)程間通信機(jī)制

在信息處理進(jìn)程中，需要對(duì)不同任務(wù)返回的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理和融合。由于不同進(jìn)程的數(shù)據(jù)段、堆棧段是相互隔離的，因此，采用共享內(nèi)存的進(jìn)程間通信方式，在程序中可以使用shmget從系統(tǒng)中取出一塊未使用的物理內(nèi)存并映射到用戶空間，如圖3所示。

在兩個(gè)進(jìn)程之間建立共享內(nèi)存的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①在調(diào)用fock（）前，使用shmget創(chuàng)建新的共享內(nèi)存，返回值為共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)碼：

shmid=shmget（IPC_PRIVATE，1，PERM）

//申請(qǐng)一個(gè)字節(jié)共享內(nèi)存

②調(diào)用fock（）函數(shù)，創(chuàng)建子進(jìn)程，根據(jù)fock（）的返回值區(qū)分父進(jìn)程和子進(jìn)程，并分別在兩個(gè)進(jìn)程中使用shmat映射一塊共享內(nèi)存，即允許當(dāng)前進(jìn)程訪問(wèn)創(chuàng)建的共享內(nèi)存：

if（fock（））p_addr=shmat（shmid，0，0）；

//將共享內(nèi)存映射到父進(jìn)程

else{c_addr=shmat（shmid，0，0）；}//將共享內(nèi)存映射到子進(jìn)程

其中，shmid為shmget（）函數(shù)的返回值，即共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)碼。

從用戶的角度看，在父進(jìn)程中可以對(duì)p_addr進(jìn)行讀寫(xiě)操作，實(shí)際訪問(wèn)的是申請(qǐng)的共享內(nèi)存。子進(jìn)程則可以對(duì)c_addr進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程間的通信。共享內(nèi)存的映射和進(jìn)程之間的關(guān)系，如圖4所示。

2．3系統(tǒng)控制流程

在程序初始化完成后，為每項(xiàng)任務(wù)創(chuàng)建了相應(yīng)的進(jìn)程，并建立了共享內(nèi)存，如圖5所示。在每個(gè)進(jìn)程中采用循環(huán)執(zhí)行方式，語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)程中利用select函數(shù)監(jiān)控是否有識(shí)別結(jié)果輸出，并將識(shí)別結(jié)果寫(xiě)入到相應(yīng)的共享內(nèi)存區(qū)。

航向測(cè)量和計(jì)算進(jìn)程循環(huán)讀取陀螺儀的角度信息并存儲(chǔ)。超聲波測(cè)距進(jìn)程在接收到信息處理進(jìn)程的控制命令后進(jìn)行測(cè)距并將數(shù)據(jù)返回至信息處理進(jìn)程。信息處理進(jìn)程融合了多傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的路徑規(guī)劃方案，將控制信息傳輸?shù)?a target="_blank">電機(jī)控制進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整。

2.4語(yǔ)音識(shí)別

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)程獨(dú)立完成對(duì)語(yǔ)音模塊的初始化和讀取識(shí)別結(jié)果的任務(wù)，因此，能夠及時(shí)響應(yīng)操作人員發(fā)出的語(yǔ)音指令。程序中使用了select（）函數(shù)監(jiān)控read（）是否可讀。當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320有識(shí)別結(jié)果時(shí)，將在中斷引腳輸出高電平以觸發(fā)系統(tǒng)中斷，結(jié)束驅(qū)動(dòng)程序中的等待狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)用程序可以通過(guò)read（）函數(shù)讀取LD332O的識(shí)別結(jié)果，并寫(xiě)入到相應(yīng)共享內(nèi)存區(qū)M中。在沒(méi)有中斷時(shí)，read（）函數(shù)將被阻塞，如圖6所示。

使用select機(jī)制監(jiān)控是否語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果，在超出等待時(shí)間后，會(huì)退出等待并重新初始化語(yǔ)音模塊LD3320，釋放公共資源，這樣也使得系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)LD332O的MP3播放功能，避免了在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入卡死狀態(tài)。

2．5航向測(cè)量

為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠沿指定的方向行駛并能修正由外界干擾因素產(chǎn)生的航向偏差，系統(tǒng)采用陀螺儀航向測(cè)量模塊MPU-6050，該模塊將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)換為可輸出的數(shù)字量，并通過(guò)串口發(fā)送到S3C2440。系統(tǒng)通過(guò)read（fd_uartl，bur，10）函數(shù)讀取相應(yīng)串El，得到航向數(shù)據(jù)并寫(xiě)人到共享內(nèi)存區(qū)S中。

2．6超聲波測(cè)距

本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法，超聲波測(cè)距模塊在收到發(fā)射控制信號(hào)時(shí)，換能器將發(fā)出40kHz的連續(xù)脈沖信號(hào)。接收器的輸出高電平時(shí)間和距離成正比，同時(shí)觸發(fā)處理器的中斷，上升沿中斷開(kāi)啟定時(shí)器，下降沿關(guān)閉定時(shí)器，利用處理器內(nèi)部的定時(shí)器1測(cè)量出輸出信號(hào)的高電平的持續(xù)時(shí)間△T，經(jīng)過(guò)式（1）的計(jì)算，可得到檢測(cè)距離S：

S-V×△T/2（1）

式中，V為超聲波的傳播速度，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度是340m/s。程序中根據(jù)所編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)程序，使用ioctl（fd_chao，SEND_BEGIN）、ioctl（fd_chao，SEND_STOP）控制GPIO以實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和停止。系統(tǒng)中對(duì)某個(gè)方向連續(xù)測(cè)量5次，進(jìn)行中值濾波并將濾波后數(shù)據(jù)傳遞到信息處理進(jìn)程。

2．7電機(jī)控制

移動(dòng)平臺(tái)中采用L298驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)，平臺(tái)尚未安裝速度反饋單元，簡(jiǎn)化了控制模式。程序通過(guò)ioctl（）控制L298以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及停止操作。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中定義了相應(yīng)GPIO的輸入/輸出方式：ioctl（fd，TURN_LEFT）中，fd為驅(qū)動(dòng)程序的文件描述符；TURN_LEFT是命令掩碼CMD，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)命令掩碼CMD對(duì)相應(yīng)的GPIO賦值以控制L298的狀態(tài)。

3路徑規(guī)劃和避障算法

根據(jù)模糊邏輯法，移動(dòng)平臺(tái)能夠在不確定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃和避障。

3．1輸入輸出變量的模糊化

在路徑規(guī)劃過(guò)程中，信息分析模塊的輸入量為移動(dòng)平臺(tái)的行駛方向信息、與障礙物之間的相對(duì)位移信息；輸出量為移動(dòng)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度和平動(dòng)位移信息。

①定義移動(dòng)平臺(tái)與左側(cè)障礙物的距離為DL、與右側(cè)障礙物的距離為DR、前方障礙物的距離為DF。模糊子集定義為{S，M，B}，分別表示小、中、大，相應(yīng)的距離隸屬度函數(shù)如圖7所示。

②定義移動(dòng)平臺(tái)和目標(biāo)點(diǎn)之間夾角為了，模糊子集定義為{LB，LS，Z，RS，RB}，分別表示左大、左小、零、有小和右大。相應(yīng)的角度隸屬度函數(shù)如圖8所示。

③移動(dòng)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度φ的模糊子集定義為{TIB，TLS，TZ，TRS，TRB}。分別表示左轉(zhuǎn)大、左轉(zhuǎn)小、不旋轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)小、右轉(zhuǎn)大，相應(yīng)的輸出隸屬度函數(shù)如圖9所示。

3．2建立模糊控制規(guī)則

在移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)離障礙物或不存在障礙物的情況下，依據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的行駛軌跡，可以先對(duì)行駛方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到障礙物接近移動(dòng)平臺(tái)時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)改變行駛軌跡，避免發(fā)生碰撞。移動(dòng)平臺(tái)的部分模糊控制規(guī)則如表1所列。

3．3模糊推理和解模糊化

根據(jù)距離隸屬度函數(shù)，將超聲波測(cè)量得到的不同方位的距離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模糊邏輯狀態(tài)，再查找模糊控制規(guī)則，查表得到相應(yīng)的輸出模糊量。

解模糊化是輸出模糊量映射到動(dòng)作行為的過(guò)程。模糊控制器對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)作進(jìn)行了分解并編碼，將復(fù)雜的動(dòng)作分解為一系列簡(jiǎn)單動(dòng)作的疊加，使得每一個(gè)輸出模糊量對(duì)應(yīng)一套動(dòng)作。

例如在檢測(cè)到前方有障礙物并確定左轉(zhuǎn)時(shí)，可以將機(jī)器人動(dòng)作分解為：后退（左轉(zhuǎn)，即先后退，再左轉(zhuǎn)。這樣可以減小機(jī)器人觸碰到前方障礙物的概率。

4實(shí)驗(yàn)測(cè)試

使用menuconfig命令為嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核配置添加相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序后，進(jìn)行make編譯生產(chǎn)zImage文件。啟動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)并進(jìn)入BIOS模式，將配置好的內(nèi)核通過(guò)Supervivi工具燒寫(xiě)到NANDFlash。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，配置Linux目錄中的/etc/init.d文件，使系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序。

如果系統(tǒng)初始化正常，將聽(tīng)到由語(yǔ)音模塊發(fā)出的提示聲：“校準(zhǔn)完成”。此時(shí)，操作人員可以下達(dá)“前進(jìn)”、“后退”或“測(cè)距”等設(shè)計(jì)好的語(yǔ)音指令，機(jī)器人將按照操作人員的指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，還可以通過(guò)語(yǔ)音模塊播放出測(cè)量到的距離。

結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)利用了Linux系統(tǒng)支持多任務(wù)和可裁剪的特點(diǎn)，結(jié)合處理器豐富的接口資源，實(shí)現(xiàn)了多方位超聲波測(cè)距、電機(jī)控制等功能，通過(guò)對(duì)多傳感器信息的融合和分析，為模糊邏輯法進(jìn)行路徑規(guī)劃提供了判斷依據(jù)。語(yǔ)音識(shí)別功能使得機(jī)器人和操作人員之間的人機(jī)交互變得更靈活方便。在此基礎(chǔ)上，可以利用Linux操作系統(tǒng)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，為進(jìn)一步研究服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人與機(jī)器人通信等提供了一種方案。