基于ARM处理器和CPLD技术的智能移动机器人系统设计

1，简介

智能移动机器人集机械，电子，计算机，自动控制，人工智能等学科的研究成果于一体，在机器人研究领域中具有突出的地位. 控制系统是机器人的核心部分. 目前，机器人底部控制系统中使用的微控制器主要包括8/16位微控制器和数字信号处理器（DSP）. 但是，使用8/16位微控制器处理数据的数量很少，硬件电路很大，系统稳定性也很差. DSP的原始设计用于数字信号处理. 相比之下，嵌入式微处理器ARM具有几乎相同的内部资源和操作. 速度快，但在控制方面性能要优于DSP，并且许多ARM设备支持TCP / IP协议，这有利于将来对机器人进行网络控制. 综合考虑以上因素，提出了一种基于ARM和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的智能轮式移动机器人控制系统，以实现对移动机器人的底部控制.

2. 系统组成和工作原理

该系统设计的轮式移动机器人的机械导航结构采用四轮差速转向机构. 前两个轮是从动轮以支撑，后两个轮是驱动轮，由两个同步电动机驱动. 驱动器分别控制两个驱动轮的转速，使机器人可以沿不同方向和速度运动，运动灵活，可控性好.

移动机器人使用PC作为主机，并使用分析机器人自身的位置和外部环境，建立环境图并规划路径. 主机将运动控制指令发送到移动机器人的底部控制系统，以提供左右驱动电机的理论速度值. 以ARM和CPLD为核心的机器人控制系统通过无线模块与主机通信，根据主机的命令控制电机的运行以及超声波传感器组的发送和接收，并使得基于障碍物信息的避障决策. 智能移动机器人的控制系统框图如图1所示.

3. 控制系统硬件设计

3.1主控制模块设计

智能轮式移动机器人控制系统的核心控制器使用三星的S34B0X，它是基于ARM7TDMI内核（适用于实时环境）的32位微处理器，具有高速计算功能，A / D转换器，丰富的I / O端口和中断有利于实现移动机器人电机控制，传感器信息处理，硬件电路并改善了控制系统. 稳定性和可重新配置性.

ARM和CPLD通过并行总线连接，该并行总线包括ARM设备的地址，数据，控制和多可编程I / O总线. ARM通过访问特定的地址和I / O端口来控制CPLD，CPLD通过可编程的I / O端口向ARM发送中断请求.

3.2电机控制和驱动模块的设计

轮式移动机器人的两个驱动轮的速度分别由两个驱动电机控制，以实现机器人在不同方向和速度上的运动. 轮式移动机器人的性能要求大电机转矩和低脉动. 驱动电机在高，中，低速下性能良好，控制方法简单. 因此，驱动电动机是由方波驱动的交流永磁同步电动机. 该电动机基于转子位置反馈信息使用电子换向操作. 电机速度与驱动信号的频率成正比. 具有结构简单，运行可靠，交流电动机维修方便的优点. 它还具有良好的直流电动机动态特性和调速性能. 优越的优势.

系统由CPLD和外部驱动设备组成，以形成控制电路. 它使用方波驱动和定位控制（通电状态控制）来控制两个永磁同步电动机，以获得可调的精确速度和位置控制. 结构紧凑. 两台电机的控制原理是相同的，这里只介绍一个.

CPLD中的电机控制电路由分频电路，调速电路和相序分配电路组成. 其中，分频电路由分频器组成；调速电路是利用MAX + PLUS II的LPM宏单元库的算术运算模块lpm_counter构成一个可预置的5位递减计数器. 根据所需速度设置预设数，当分频电路输出的clk脉冲信号递减计数到零时，计数器输出借位脉冲，再次加载预设数进行递减，借用借位脉冲cout在速度控制电路的输出脉冲中，cout借位脉冲的频率范围为fclk / 1-fclk / 31，即引入了步长为1的速度调整因子（预设数）. 通过更改速度调整系数，可以连续调整脉冲信号的频率至1到31倍，从而调整电动机的速度. 相序分配电路以cout借位脉冲为输入，通过两个D触发器和门电路，输出相位差为90°的4个方波脉冲作为两相同步电动机的控制信号. 停止信号控制电动机的启动和停止； dir信号控制电动机的方向，相电压uCD使uAB正向旋转90°，反之，uAB使uCD反向旋转90°，每个相位信号的频率为cout脉冲频率的1/4. CPLD中调速和相序分配电路输入的原理如图2所示. 仿真结果验证了设计逻辑的正确性，如图3所示.

外部驱动器采用L298双H桥高压大电流电源集成电路，并将脉冲馈电电路产生的4相方波信号通过总线74LS245输出到输入端子IN1〜IN4用L298的控制H桥的切换来使电动机反转或停止. 为了防止启动和停止电动机时的反馈电压损坏L298，在L298的输出和电动机之间增加了8个二极管，以防止电源故障和连续电流.

为了提高电动机的控制性能并实现更准确，稳定的机器人运动控制，有必要获取电动机的速度信息作为电动机控制的反馈链接. 系统使用增量光电编码器进行速度检测，两个光电编码器同轴连接到两个电动机，CPLD与ARM装置配合实现可变脉冲数/脉冲周期速度测量，即可变M / T速度测量，并定期采样电动机速度. 采样速度与主机给定速度之间的差异将传递给PID控制器. 从而实现了电机转速的闭环控制.

3.3超声波传感器模块

避障是智能移动机器人的基本功能. 避开障碍物的主要任务是确定障碍物的位置. 基于机器人视觉系统的PC的路径规划很容易受到诸如视场强度和背景色之类的因素的干扰. 为了解决这个问题，机器人使用超声波传感器来测量微控制器控制系统中的障碍物.

超声波测距采用时间行程测距方法，该方法基于从超声波发生器发出超声波直到超声波遇到障碍物之后超声波接收反射波所需的时间t在传播过程中以及空气中的超声波传播速度v（v = 331.4（1 + T / 273）1 / 2m / s; T是摄氏温度），并且距离l = vt / 2机器人并获得障碍物. 该模块总共使用了3对超声波传感器，分布在机器人的前方，左前方，右前方. ARM发送控制信号以启动内部计时器进行计时. 在功率信号被放大之后，控制信号被用作超声传感器驱动电路的开始信号. 超声波传感器遇到障碍物时产生的高频振荡信号被放大，并通过接收电路引起外部ARM中断. 定时器可以在中断程序中获得. 计算值并计算距离. 超声波传感器模块的框图如图4所示.

4. 控制系统软件设计

4.1嵌入式操作系统

智能轮式移动机器人是典型的实时多任务系统. 传统的单任务顺序执行机制无法满足系统设计的实时性要求，并且对于复杂系统可靠性不高，因此选择了实时操作系统μC. /OS-Ⅱ. 它是具有开放源代码，可移植，可固化和可定制的开放操作系统. 它具有代码量小，实时内核占用，多个任务，可定义的执行时间以及稳定可靠的操作的特点. 将μC/OS-Ⅱ移植到S34B0X移动机器人系统，并削减操作系统以节省存储空间.

基于实时内核的多任务系统可以分为系统层和应用层. 系统层由内核和驱动程序库组成. 应用层包括用于实现机器人任务目标的所有代码. 在系统软件应用程序层编程中，机器人的任务被分解为多个用户任务，例如通信，信息收集和电机控制. 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ管理和调度任务模块，协调机器人的任务，并确保系统的实时性和可靠性.

4.2运动控制算法

为了确保移动机器人动作的稳定性和准确性，系统可以快速响应并控制机器人的前进，后退，转弯，制动等动作，并且过冲量很小. 积分分离的PID控制算法. 该算法的具体实现方法如下:

5. 结论

提出了一种基于ARM和CPLD的智能轮式移动机器人控制系统. 该解决方案充分利用了ARM和CPLD的内部资源. 它具有小型ARM微控制器，运算速度快和CPLD的特点. 高速逻辑处理能力，灵活的可扩展性和可重新配置性. 通过软硬件调试和运行实验证明，该系统控制灵活，实时性好，可靠性高，能够满足智能轮式移动机器人的控制要求. 该智能轮式移动机器人控制系统可在不同场合用于移动机器人控制系统移动机器人系统，具有一定的通用性，性价比高，具有很强的实用价值.

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