嵌入式移動機器人控制器設計

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

1引言

移動機器人控制器研究是機器人技術的一個重要領域。由于移動機器人要通過與環境的互動完成既定的任務,所以其控制器的信息處理能力和實時控制性能從根本上決定了其整體性能。以往,人們通常用高性能的PC機作為車載控制系統,然而,其相對龐大的體積和重量造成了沉重的載重負擔嚴重制約了移動機器人的微、小型化和靈活性。另一方面,將通用型PC機應用于移動機器人會造成嚴重的資源浪費,降低了機器人的整體性價比,并且一般的桌面操作系統很難滿足移動機器人控制的實時性要求。
基于此,本文提出了一種基于數字信號處理器( Digital Signal Processor, DSP)和uC/OS- II實時內核的移動機器人控制器設計方案。

2控制器硬件系統設計

本文所提設計方案采用基于DSP的系統硬件設計。TMS320F2812型32位定點DSP集數字信號處理、事件管理和嵌人式控制功能于一體,具有豐富的片內外設資源,可以大大簡化外圍電路的設計。此外,為提高控制器的開放性采取模塊化設計,將基于DSP的最小系統設計為一個核心模塊(核心板),而將信號采集和處理、功率驅動等功能電路分別設計成相應的獨立模塊。

2.1控制器電路原理設計

圖1為DSP核心板的硬件原理圖。核心板上幾個電平轉換單元的功能是實現SV電平和3.3 V電平的轉換,用于DSPI/O接口電平(3.3 V)與外圍器件典型電平的匹配,確保DSP芯片安全。在DSP與電機之間采用光電耦合器實現隔離。在需對機器人的運動進行精確控制的場合,應通過轉速傳感器反饋電機的轉速信號。此外,核心板上還擴展了256 K* 16位的外部RAM。

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2.2移動機器人控制器工作原理

移動機器人的最基本的功能是避障導航。傳感器采集環境中障礙物信息,控制器基于這些信息控制驅動電機,從而控制機器人的運動。
目前用于導航的傳感器主要有紅外測距傳感器、超聲波測距傳感器和觸碰開關等。其輸出信號的形式為模擬電壓信號或開關電壓信號。TMS320F2812型DSP有16路12位分辨率ADC通道,可以配置為兩個獨立的8通道模塊或者一個級聯的16通道模塊,支持靈活的信號采集方式。在每次轉換前,由程序設置4個寄存器ADCCHSELSEQI-4的值,確定本次要采樣和轉換的通道。轉換完成后,數據被保存在結果寄存器組ADCRESULTn中,應用程序訪問該寄存器組獲取傳感數據。開關型信號的采集可以通過對特定引腳的查詢或者DSP捕捉單元實現。DSP的捕捉單元在捕捉到引腳上的電平變化后,截取并保存定時器的當前計數值,因此應用程序可以計算出CPU等待此電平變化所用的時間。這種方式比較適用于采集"觸發-返回"式測距傳感器的信號。而觸碰開關因為工作方式相對簡單,適用程序查詢的方式。
TMS320F2812型DSP可以方便地實現多路電機控制,其事件管理模塊(EVM)支持多達16路帶可編程死區的PWM輸出。可以滿足移動機器人的牽引電機、舵機及云臺電機的控制需求。

3控制器軟件系統設計

本設計采用基于實時操作系統的軟件設計方案。與傳統前后臺式程序設計相比,基于實時內核的程序設計具有時間確定性強、便于功能擴展和剪裁等優點。uC/OS- II是一種源代碼公開的實時內核,已經取得了美國航空管理局(Federal Aviation Administration ,FAA)的安全認證,是一款成熟的嵌人式操作系統。
uC/OS-II實時操作系統內核的核心功能是任務調度和管理,通過任務調度器總是將CPU的使用權賦予就緒的具有最高優先權的任務。任務調度器的工作流程是首先確定當前時刻應獲得CPU使用權的任務,然后引發一次軟件中斷,在中斷服務程序中將CPU各寄存器的當前值(即斷點數據)保存在即將被剝奪CPU使用權的任務的堆棧中。最后,從待運行任務的堆棧中恢復其上一次被剝奪CPU使用權時的斷點數據,實現任務的切換.

3.1 uC/OS-II內核在DSP上的移植

uC/0S-II是一個通用型內核,要在DSP上運行必須進行移植。所謂移植就是使一個通用的操作系統內核能夠在一個特定的處理器/控制器上有效地運行。
實時內核移植的主要工作是編寫與處理器相關代碼,移植的步驟如下:
(1)編輯頭文件OS_CPU.H,將uGIOS-II自定義的數據類型與TMS320F2812DSP的數據類型匹配起來。
(2)在程序文件OS_CPU_C.C中編寫任務堆棧初始化函數OSTaskStklnit ()。文件中其他函數用于擴展系統功能,在本設計中只聲明了這些函數,而沒有編寫函數體。
(3)在程序文件OS_CPU_A.ASM中用匯編語言編寫4個系統函數OSStartHighRay() ,OSCtxSw(),OSIntCtxSw()OSTick-ISR().
(4)編輯頭文件OS CFG.H。是實現uC/OS- II的可剪裁性的關鍵。
(5)測試移植代碼。
(6)編寫驅動程序庫。

3.2基于實時內核的程序設計

基于實時內核的多任務系統可劃分為兩個層次,即系統層和應用層。系統層由內核和驅動程序庫組成,而應用層包括用于達成機器人任務目標的全部代碼。
在本方案應用層程序設計中,將機器人的任務分解成AD采集、觸碰開關量信號采集、測距開關量采集、頻率量采集、機器人運動控制、決策和信息顯示等幾個用戶任務。并為共享數據和資源設置相應的信號量保證任務的同步。系統中各任務及其同步機制如圖2所示。

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數據采集任務將數據暫存在相應的緩沖區中。決策任務通過融合這些信息,實現"感知-動作"映射。顯示任務根據各傳感數據點亮或熄滅相應的狀態指示燈。運動控制任務根據決策任務的決策結果控制機器人的運動。本方案為4個傳感器數據緩沖區設置了信號量集,用于同步數據采集任務和決策、顯示任務。決策任務將最終決策通過消息郵箱通知運動控制任務。

4實驗及結果分析

如前所述,實時內核移植完成后應對移植代碼進行測試,以驗證移植是否成功。然后,本文以三輪式小車為載體進行了移動機器人避障實驗。

4.1實時內核移植代碼測試

本測試建立了兩個任務Task 1()和Task2(),分別在通用UO引腳GPIOF3 、GPIOFI2上產生方波。Task l()和Task2()的優先級分別為0和1,通過一個互斥型信號量flag同步。這兩個用戶任務的工作流程如表1所示程序運行后,在示波器上觀察到GPIOF3(上),GPIOFI2(下)引腳上的電平變化如圖3所示。其中,圖3(a)所示為,Task2 ( )無限期等待信號量flag情況下的引腳電平變化。圖3(b)所示是Task2()等待信號量flag的時限設為20個節拍時的引腳電平變化。

嵌入式移動機器人控制器設計流體仿真分析圖片圖片3

嵌入式移動機器人控制器設計流體仿真分析圖片圖片4

從圖3(a)可見Task 1()將GPIOF3上的電平翻轉后,延時30個節拍(對應圖中三格)發送信號量,由于Task2()在無限期地等待信號量,所以,當Taskl()延時期滿后,Task2)立即獲得信號量,并翻轉GPIOFI2引腳電平。在圖3(b)中,Task2()延時10個節拍(一格)后,申請信號量,但是由于Taskl()未釋放信號量,所以進人等待狀態,等待20個節拍后,放棄等待,繼續運行程序運行結果表明,實時內核已能正常工作,移植成功。

4.2移動機器人避障實驗

本實驗采用一個三輪小車作為機器人本體。小車由左右兩個微型電機驅動,電機內部集成了功率放大電路。車體前端安裝兩個夏普(SHARP)GP2D12型的紅外測距傳感器,輸出信號為0V-5V模擬電壓。
DSP根據測距傳感數據判斷障礙信息,依據"感知一動作"映射表作出決策,控制電機的運轉,從而驅動小車避開障礙物。"感知一動作"映射表如圖4所示,該映射表以"表"的形式存儲在DSP的存儲器中。

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本實驗使用4個用戶任務用戶任務task_ad(), task_decide(),task_led(),task_wm(),分別用于采集模擬數據、決策、LED顯示控制和運動控制(電機控制)。
避障實驗在小型機器人昆球場地中進行。小車向任意初始方向出發,到達場地邊緣后改為平行于場地邊緣前進。到達拐角處,轉而沿另一邊緣前進。圖5所示為小車到達場地邊緣和在拐角處轉向時的場景。

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