1 引言

輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內(nèi)容，它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，是一個典型的智能控制系統(tǒng)。智能機器人比賽集高科技、娛樂、競技于一體，已成為國際上廣泛開展的高技術對抗活動?，F(xiàn)以ARM7處理器為控制核心，采用無線通信技術，并移植嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/0S一Ⅱ設計了一套智能機器人控制系統(tǒng)。

2 硬件設計

根據(jù)競技機器人的功能要求進行總體設計，將各個功能進行模塊化，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。中央處理器采用微控制器結構，用以控制外圍設備協(xié)調(diào)運行。舵機控制機器人的運動方向；驅動電機電動機采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機驅動車輪旋轉。電磁鐵作為機械手夾緊的執(zhí)行元件。設置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測輸入和8路開關量檢測接口。整個機器人的運行狀態(tài)和運行參數(shù)通過LCD動態(tài)顯示。

2．1 微控制器的選型

機器人要實現(xiàn)的動作和功能較多，需要多個傳感器對外界進行檢測，并實時控制機器人的位置、動作和運行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務最終都掛在實時操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位ARM7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲器，它采用3級流水線技術，同時進行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強，適用于各種工業(yè)控制。2個32位定時計數(shù)器、6路PWM輸出和47個通用I／0口，所以特別適用于對環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機器人系統(tǒng)。因此選用LPC2129為主控制器，可以獲得設計結構簡單、性能穩(wěn)定的智能機器人控制系統(tǒng)。

2．2 無線通信接口設計

系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開發(fā)，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求；④可直接接單片機串口模塊，控制簡單；⑤抗干擾能力強；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

2．3 光電檢測模塊設計

2．3．1 光電檢測過程

設計光電檢測模塊，使機器人能夠檢測地面上的白色引導線。光電檢測電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應速度快，其工作頻率可達幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百千赫茲范圍之內(nèi)，因此能夠滿足要求。光源驅動主要負責將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅動光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射。

接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號轉變?yōu)殡娦盘枴＿@種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大后才能進行處理。調(diào)制信號的放大采用交流放大形式，可以將調(diào)制光信號與背景光信號分離開來，為信號處理提供方便。調(diào)制信號處理部分對放大后的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，該模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號從“直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗干擾的目的。

2．3．2 光電探頭

在機器人底盤前部安裝有光電探頭，共設置了5個檢測點，其結構如圖4所示。

從理論上講，檢測點越多，越密，識別的準確性與可靠性越高。但是硬件的開銷與軟件的復雜程度也相應增加。采用該尋線系統(tǒng)保證了檢測的精確度，也節(jié)約了硬件的開銷。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強弱線性變化。檢測出這種變化，即可判斷某一個檢測點是否在白色引導線的上方，從而判斷機器人和白色引導線的相對位置。

2．4 超聲波測距傳感器設計與實現(xiàn)

兩路超聲波傳感器用以控制機器人避開障礙物，并預測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過超聲波換能器發(fā)射超聲波。

圖5給出由數(shù)字集成電路構成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號通過電容C2隔除掉了信號中的直流量并給超聲波換能器MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號，該信號通過反向器U1C變?yōu)闃藴史讲ㄐ盘枺俳?jīng)功率放大，C2隔除直流信號后加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長時間加直流電壓，會使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理。U2A為74ALS00與非門，control_port(控制端口)引腳為控制口，當control_port為高電平時，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號。

圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對換能器接收到的信號采用集成運算放大器LM324進行信號放大，經(jīng)過三級放大后，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉換為TTL脈沖信號。INT_Port與單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號后，單片機立即進入中斷并對超聲波信號進行處理和判斷。

3 實時操作系統(tǒng)μC／OS—II的移植

μC／OS—II是一個嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，包含了任務調(diào)度、任務管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務間的通信與同步等基本功能。μC／OS—II進行任務調(diào)度時，會把當前任務的CPU寄存器存放到該任務堆棧中，然后再從另一個任務堆棧中恢復原來的工作寄存器，繼續(xù)運行另一個任務。

根據(jù)各個控制功能和微控制器的資源結構對任務進行劃分，共劃分為7個應用任務，其劃分過程如圖7所示。無線串行通信采用中斷接收方式，保證數(shù)據(jù)接收的實時性。

μC/OS一Ⅱ任務的建立包括定義任務堆棧、設定任務優(yōu)先級、初始化該任務要求的系統(tǒng)硬件及實現(xiàn)具體的控制過程等4部分?，F(xiàn)以任務1為例，介紹應用任務的建立過程。

在嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)實時應用程序，可使程序的設計和擴展變得容易，而且無需大的改動即可增加新的功能。通過將應用程序分割成若干獨立的任務模塊，可大大簡化應用程序的設計過程；而且能快速、可靠地對實時性要求苛刻的事件。通過有效的系統(tǒng)服務、嵌入式實時操作系統(tǒng)，能使系統(tǒng)資源得到更好的利用。

4 調(diào)試運行

在機器人控制系統(tǒng)起動時，μC／OS一Ⅱ對堆棧空間、各個控制寄存器和外設器件的硬件進行初始化，并設定當前各個功能部件的初始狀態(tài)。

在實時機器人系統(tǒng)下，機器人正常啟動后，系統(tǒng)實時監(jiān)視機器人在比賽場上的運行狀況，若出現(xiàn)某一動作或功能無效則給出出錯信息。正常運行時實時顯示機器人在比賽場上的坐標值和動作狀態(tài)，如圖8所示。

5 結語

根據(jù)智能機器人的控制要求，設計了基于無線通信的嵌入式機器人控制系統(tǒng)。在軟件設計上移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS一Ⅱ。利用光電檢測模塊和超聲波導航模塊感知外部信息，實現(xiàn)了對智能機器人的控制。