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基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

2018年04月18日 17:02 次阅读

1 引言

轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容,它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体,是一个典型的智能控制系统。智能机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体,已成为国际上广泛开展的高技术对抗活动。现以ARM7处理器为控制核心,采用无线通信技术,并移植嵌入式实时操作系统μC/0S一Ⅱ设计了一套智能机器人控制系统。

2 硬件设计

根据竞技机器人的功能要求进行总体设计,将各个功能进行模块化,其控制系统硬件框图如图1所示。中央处理器采用微控制器结构,用以控制外围设备协调运行。舵机控制机器人的运动方向;驱动电机电动机采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机驱动车轮旋转。电磁铁作为机械手夹紧的执行元件。设置了两路超声波传感器、8路光电检测输入和8路开关量检测接口。整个机器人的运行状态和运行参数通过LCD动态显示。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

2.1 微控制器的选型

机器人要实现的动作和功能较多,需要多个传感器对外界进行检测,并实时控制机器人的位置、动作和运行状态。系统中的所有任务最终都挂在实时操作系统μC/0S一Ⅱ上运行,因此不仅要考虑微控制器的内部资源,还要看其可移植性和可扩展性。LPC2129是Philips公司生产的一款32位ARM7TDMI—S微处理器,嵌入256 KB高速Flash存储器,它采用3级流水线技术,同时进行取指、译码和执行,而且能够并行处理指令,提高CPU的运行速度。由于它的尺寸非常小,功耗极低,抗干扰能力强,适用于各种工业控制。2个32位定时计数器、6路PWM输出和47个通用I/0口,所以特别适用于对环境要求较低的工业控制和小型智能机器人系统。因此选用LPC2129为主控制器,可以获得设计结构简单、性能稳定的智能机器人控制系统。

2.2 无线通信接口设计

系统采用迅通公司生产的PTR2000无线通信数据收发模块。电路接口如图2所示。该模块基于NORDIC公司生产的射频器件nRF401开发,其特点是:①有两个频道可供选择,工作速率高达20 Kb/s;②接收发射合一,适合双工和单工通信,因而通信方式比较灵活;③体积小,所需外围元件少,接口电路简单,因此特别适合机器人小型化要求;④可直接接单片机串口模块,控制简单;⑤抗干扰能力强;⑥功耗小,通信稳定。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

2.3 光电检测模块设计

2.3.1 光电检测过程

设计光电检测模块,使机器人能够检测地面上的白色引导线。光电检测电路主要包括发射部分和接收部分,其原理如图3所示。发射部分的波形调制采用了频率调制方法。由于发光二极管的响应速度快,其工作频率可达几兆赫兹或十几兆赫兹,而检测系统的调制频率在几十至几百千赫兹范围之内,因此能够满足要求。光源驱动主要负责将调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。光源采用红外发光二极管,工作频率较高,适合波形为方波的调制光发射。

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接收部分采用光敏二极管接收调制光线,将光信号转变为电信号。这种电信号通常较微弱,需进行滤波和放大后才能进行处理。调制信号的放大采用交流放大形式,可以将调制光信号与背景光信号分离开来,为信号处理提供方便。调制信号处理部分对放大后的信号进行识别,判断被检测对象的特性。因此,该模块的本质是将“交流”的、有用的调制光信号从“直流”的、无用的背景光信号中分离出来,从而达到抗干扰的目的。

2.3.2 光电探头

在机器人底盘前部安装有光电探头,共设置了5个检测点,其结构如图4所示。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

从理论上讲,检测点越多,越密,识别的准确性与可靠性越高。但是硬件的开销与软件的复杂程度也相应增加。采用该寻线系统保证了检测的精确度,也节约了硬件的开销。发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱线性变化。检测出这种变化,即可判断某一个检测点是否在白色引导线的上方,从而判断机器人和白色引导线的相对位置。

2.4 超声波测距传感器设计与实现

两路超声波传感器用以控制机器人避开障碍物,并预测机器人相对目的地距离,起导航作用,其接收部分与微控制器的捕获和定时管脚相连接。整个超声波检测系统由超声波发射、超声波接收和单片机控制等部分组成。发射部分由高频振荡器、功率放大器及超声波换能器组成。经功率放大器放大后,通过超声波换能器发射超声波。

图5给出由数字集成电路构成的超声波振荡电路,振荡器产生的高频电压信号通过电容C2隔除掉了信号中的直流量并给超声波换能器MA40S2S。其工作过程:U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号,该信号通过反向器U1C变为标准方波信号,再经功率放大,C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射。如果超声波换能器长时间加直流电压,会使其特性明显变差,因此一般对交流电压进行隔除直流处理。U2A为74ALS00与非门,control_port(控制端口)引脚为控制口,当control_port为高电平时,超声波换能器发射超声波信号。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

图6示出为超声波接收电路。超声波接收换能器采用MA40S2R,对换能器接收到的信号采用集成运算放大器LM324进行信号放大,经过三级放大后,通过电压比较器LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连,当接收到中断信号后,单片机立即进入中断并对超声波信号进行处理和判断。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

3 实时操作系统μC/OS—II的移植

μC/OS—II是一个嵌入式实时操作系统内核,包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。μC/OS—II进行任务调度时,会把当前任务的CPU寄存器存放到该任务堆栈中,然后再从另一个任务堆栈中恢复原来的工作寄存器,继续运行另一个任务。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

根据各个控制功能和微控制器的资源结构对任务进行划分,共划分为7个应用任务,其划分过程如图7所示。无线串行通信采用中断接收方式,保证数据接收的实时性。

μC/OS一Ⅱ任务的建立包括定义任务堆栈、设定任务优先级、初始化该任务要求的系统硬件及实现具体的控制过程等4部分。现以任务1为例,介绍应用任务的建立过程。

基于嵌入式的轮式移动机器人设计方案

在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序,可使程序的设计和扩展变得容易,而且无需大的改动即可增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块,可大大简化应用程序的设计过程;而且能快速、可靠地对实时性要求苛刻的事件。通过有效的系统服务、嵌入式实时操作系统,能使系统资源得到更好的利用。

4 调试运行

在机器人控制系统起动时,μC/OS一Ⅱ对堆栈空间、各个控制寄存器和外设器件的硬件进行初始化,并设定当前各个功能部件的初始状态。

在实时机器人系统下,机器人正常启动后,系统实时监视机器人在比赛场上的运行状况,若出现某一动作或功能无效则给出出错信息。正常运行时实时显示机器人在比赛场上的坐标值和动作状态,如图8所示。

5 结语

根据智能机器人的控制要求,设计了基于无线通信的嵌入式机器人控制系统。在软件设计上移植了嵌人式实时操作系统μC/OS一Ⅱ。利用光电检测模块和超声波导航模块感知外部信息,实现了对智能机器人的控制。

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挑战与机遇并存人工智能的健康发展很重要

过去一年,我们和其他20多位人工智能领域专家,通过思考当前的人工智能技术以及其可能如何被坏人利用,写...

发表于 2018-04-11 11:19 462次阅读
挑战与机遇并存人工智能的健康发展很重要

世界首例机器辅助肿瘤切除手术出血不到10ml

近日,华西医院泌尿外科在手术机器人的辅助下,为一名45岁罕见的多发性内分泌腺瘤综合征患者进行了肿瘤切...

发表于 2018-04-11 10:14 85次阅读
世界首例机器辅助肿瘤切除手术出血不到10ml

如何集成人工智能到企业业务数据中?

为了成功地将人工智能(AI)集成到企业现有的业务数据中,企业需要考虑基础设施、环境、员工培训等因素。...

发表于 2018-04-11 10:08 49次阅读
如何集成人工智能到企业业务数据中?

何为柔性机器人?如何让机器人的身体柔若无骨?

首先是柔性机器人的构成材料上,既要极易变形弯曲的柔软度,也必须要考虑到它的驱动方式,目前比较常见的是...

发表于 2018-04-11 09:59 679次阅读
何为柔性机器人?如何让机器人的身体柔若无骨?

越疆魔术师机械臂 一分钟上手 支持多功能

深圳市越疆科技有限公司自主研发的第二代高精度四轴消费级桌面智能机械臂越疆魔术师于8月16日正式推出市...

发表于 2018-04-11 09:46 206次阅读
越疆魔术师机械臂  一分钟上手 支持多功能

ACRN之InterruptWindow功能正确...

Intel提供了一种InterruptWindow机制来解决这个问题,该机制的原理是:配置了Inte...

发表于 2018-04-11 09:27 267次阅读
ACRN之InterruptWindow功能正确...

国产机器人大爆发 未来营收规模可达到百亿级水平

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,它能自动执行工作,是靠自身动力和控制能力...

发表于 2018-04-11 09:23 32次阅读
国产机器人大爆发 未来营收规模可达到百亿级水平

孤独青年 你可能需要一个话唠机器人朋友

现在的年轻人很容易孤独,尤其是离开学校的集体生活后,不少人选择独居,把更多的时间花在了游戏、看剧上。...

发表于 2018-04-11 07:52 416次阅读
孤独青年 你可能需要一个话唠机器人朋友

阿凡达主题公园引进名为 Pandora Util...

阿凡达主题公园将迎来一位高达 3 米,但却很灵活的新成员。 在漫长的电影史中,由詹姆斯卡梅隆执导的《...

发表于 2018-04-11 06:48 574次阅读
阿凡达主题公园引进名为 Pandora Util...

“四足智能配送机器人” 预计今年6月份上岗

在中关村智造大街,萌萌的快递机器人整装待发。 物业不许快递员入内,取快递还得亲自下楼,这一“快递最后...

发表于 2018-04-11 06:28 138次阅读
“四足智能配送机器人” 预计今年6月份上岗

学习工业机器人控制大概要多久?

随着企业自动化改造步伐的加快,许多企业陆陆续续出现了工业机器人生产,加工,而就业人士也越来越注重自己...

发表于 2018-04-11 05:46 92次阅读
学习工业机器人控制大概要多久?

伯朗特定下小目标 2025年实现百亿级营收

近期,伯朗特公布了2017年年报,营收净利润均迎来大幅增长。年报显示,2017年,公司营收3.6亿元...

发表于 2018-04-11 05:38 42次阅读
伯朗特定下小目标 2025年实现百亿级营收

联合国召开会议讨论韩国研发“杀手机器人”

联合国《特定常规武器公约》政府专家小组9日在瑞士日内瓦召开会议,预定讨论致命自主武器系统研发,也就是...

发表于 2018-04-11 05:09 202次阅读
联合国召开会议讨论韩国研发“杀手机器人”

世界上唯一一款可以精准检测胃部的胶囊胃镜机器人

一颗药丸大小的胶囊机器人,伴随着清水服下,途经食道、胃部、肠部经过一次15分钟的人体旅行后排出;与此...

发表于 2018-04-11 05:06 448次阅读
世界上唯一一款可以精准检测胃部的胶囊胃镜机器人

【下载】《构建嵌入式LINUX系统(第二版)》

发表于 2018-04-10 18:00 999次阅读
【下载】《构建嵌入式LINUX系统(第二版)》

华硕开发智能家居机器人 公开表示台湾是中国的

据了解,这款机器人Zenbo由华硕开发,属于家居智能机器人,拥有许多生活应用与智慧功能连结,号称可以...

发表于 2018-04-10 14:26 82次阅读
华硕开发智能家居机器人 公开表示台湾是中国的

嵌入式Linux系统的7个重要模块

嵌入式Linux系统--命令行,即Shell是操作系统的重要部分,当然也包括嵌入式Linux系统。在...

发表于 2018-04-10 10:38 170次阅读
嵌入式Linux系统的7个重要模块

在嵌入式Linux上运行一个最简单的“Hello...

最后发现目标板支持FTP服务器,总数找到一个救命稻草,不过很可惜,用户密码未知,问了中间厂商,用户和...

发表于 2018-04-10 10:36 182次阅读
在嵌入式Linux上运行一个最简单的“Hello...

安防机器人“头号玩家”?解决三大技术难题 筑起行...

目前市面上的深度视觉产品主要是深度摄像头。按技术分类,深度摄像头可分为以下三类主流技术:结构光、双目...

发表于 2018-04-10 09:56 439次阅读
安防机器人“头号玩家”?解决三大技术难题 筑起行...

环保型排水管道检测机器人

When it comes to robots that perform internal insp...

发表于 2018-04-10 09:55 51次阅读
环保型排水管道检测机器人

你觉得Dyson新机器人能做什么?

Avoid cat, or torment cat? This article was origin...

发表于 2018-04-10 09:49 45次阅读
你觉得Dyson新机器人能做什么?

拥有学习能力的机器人

January 17, 2014 06:26pm ETYour Robot Helper is On...

发表于 2018-04-10 03:52 72次阅读
拥有学习能力的机器人

俄罗斯推出人工智能面试机器人 节约时间和成本三分...

俄罗斯圣彼得堡初创企业Strafory推出用于机构招聘的 人工智能 机器人。它名叫“薇拉”,不仅能从...

发表于 2018-04-10 00:36 63次阅读
俄罗斯推出人工智能面试机器人 节约时间和成本三分...

最灵巧机器人Dex-Net 物品分拣远超人类水平

加州大学伯克利分校的研究人员最近研发了一款新的机器人,由一个高分辨率3D传感器和两个高度灵活的机械臂...

发表于 2018-04-09 17:38 545次阅读
最灵巧机器人Dex-Net 物品分拣远超人类水平

明远智睿 EK140P全功能板手册

发表于 2018-04-09 16:09 157次阅读
明远智睿 EK140P全功能板手册

人工智能和机器人技术的自动化对工作岗位的威胁比预...

人工智能已经有了明显的进步,可以快速提高我们的生活水平。而我们所要考虑的问题并不是人工智能是否会改善...

发表于 2018-04-09 10:38 596次阅读
人工智能和机器人技术的自动化对工作岗位的威胁比预...

嵌入式实时操作系统:RTOS和PC上的区别

通用操作系统中的任务调度策略一般采用基于优先级的抢先式调度策略,对于优先级相同的进程则采用时间片轮转...

发表于 2018-04-09 09:38 265次阅读
嵌入式实时操作系统:RTOS和PC上的区别

【下载】《机器人学、机器视觉与控制――MATLAB算法基础》

发表于 2018-04-08 18:19 2142次阅读
【下载】《机器人学、机器视觉与控制――MATLAB算法基础》

嵌入式操作系统是什么_嵌入式操作系统有哪些

嵌入式操作系统(Embedded OperatingSystem,简称:EOS)是指用于嵌入式系统的...

发表于 2018-04-08 14:36 293次阅读
嵌入式操作系统是什么_嵌入式操作系统有哪些

嵌入式stm32IAR中eww、ewp、ewd···等各文件的含义和用途

发表于 2018-04-08 13:19 326次阅读
嵌入式stm32IAR中eww、ewp、ewd···等各文件的含义和用途

优化嵌入式软件的七个技巧,不同应用程序的优化需求...

如果没有合适的测量工具,优化一个系统是很困难的。举例来说,如果不使用一种精确的方法来测量系统和微控制...

发表于 2018-04-08 11:21 278次阅读
优化嵌入式软件的七个技巧,不同应用程序的优化需求...

科大智能巡检机器人应用场景分析

智能化电力设备状态检测是近几年发展起来的新兴行业,而发电厂智能巡检机器人因其全天候、全自主、无死角的...

发表于 2018-04-08 11:02 704次阅读
科大智能巡检机器人应用场景分析