李小光,吳茜瓊

基于ARM9的足球機器人底層控制系統(tǒng)的設(shè)計

李小光,吳茜瓊

(洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動化系,河南洛陽471003)

設(shè)計了一種基于32位ARM處理器S3C2440和嵌入操作系統(tǒng)UC/OS-II的足球機器人底層控制系統(tǒng).重點介紹了以S3C2440為核心的控制系統(tǒng)組成,基于LM629的位置閉環(huán)單元,基于L298的功率放大模塊和嵌入操作系統(tǒng)UC/OS-II的軟件設(shè)計策略.實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)具有比較高的精度和穩(wěn)定性,系統(tǒng)設(shè)計合理、可行.

足球機器人;控制系統(tǒng);ARM;LM629

RoboCup[1](Robot World Cup)是一個以足球比賽為形式,通過比賽測試新技術(shù)從而促進人工智能、機器人技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的項目,同時它也為機器人硬件、軟件技術(shù)的研究提供了廣闊平臺.凡參加“世界杯”機器人足球比賽的球隊都是體表自己國家的綜合實力參加比賽的,因此可以說“世界杯”機器人足球比賽是衡量各國綜合技術(shù)實力一個小平臺上的“技術(shù)戰(zhàn)爭”.

足球機器人底層控制系統(tǒng)[2]作為執(zhí)行結(jié)構(gòu),其性能的好壞在一定程度上決定了比賽的勝負,它直接影響到整個機器人運動的精度、靈活性乃至整個系統(tǒng)的可靠性.目前國內(nèi)外的足球機器人個體智能性不高,不能很好地滿足機器人控制系統(tǒng)的需要.因此,開發(fā)一種高性能的機器人小車底層控制系統(tǒng)成為足球機器人愛好者的迫切需求.

本文設(shè)計了全新的基于ARM9[3]的全自主式足球機器人底層控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)采用S3C2440芯片,CPU頻率可達400 MHz,提高了其自主行為和決斷自主權(quán),使得足球機器人能夠根據(jù)場上的形勢做出更合理、更快的反應(yīng).采用LM629來構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)位置閉環(huán),設(shè)計了L298的功率放大模塊,還嵌入了UC/OS-II操作系統(tǒng)以提升其穩(wěn)定性,并降低功耗.

1 底層控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

底層控制系統(tǒng)的設(shè)計一般由5個階段構(gòu)成:需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件/軟件設(shè)計、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試.各個階段之間往往需要不斷的反復(fù)修改直至完成最終設(shè)計目標.

本設(shè)計方案采用 ARM920T內(nèi)核設(shè)計的S3C2440[4]芯片作為主控芯片,電機伺服控制采用LM629,功率放大采用L298,又安裝有紅外、壓力傳感器;此外還采用了可擴展無線通信模塊和視頻采集模塊.其整體設(shè)計方案見圖1.

圖1 底層控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

2 底層控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 主處理器

主處理器選用三星公司所生產(chǎn)的S3C2440[4]微處理器.該產(chǎn)品是為手持設(shè)備和常用的低功耗、高性能應(yīng)用方案提供的小尺寸微處理器,采用ARM920T內(nèi)核,標準0.13μm COMS封裝,內(nèi)置內(nèi)存編譯器.它的低耗電量、精簡、高雅和全靜態(tài)設(shè)計特別適用于低廉、功耗敏感的應(yīng)用設(shè)備.此外,其總線結(jié)構(gòu)采用最新的AMBA結(jié)構(gòu),S3C2440還提供了杰出的 CPU性能:一個由Advanced RISC Machine,Ltd 公司設(shè)計的 16/32- bit的ARM920T RISC處理器.ARM920T內(nèi)核包含MMU單元、AMBA總線和一個由各為8字長的16KB指令緩沖和16KB數(shù)據(jù)緩沖的哈弗結(jié)構(gòu)的緩沖單元.

2.2 伺服控制模塊

在該模塊中采用National Semiconductor公司生產(chǎn)的智能化專業(yè)控制芯片LM629[5]來構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)[6]的位置閉環(huán),它適用于有正交增量式光電編碼器提供位置反饋的交直流伺服控制系統(tǒng),能完成高性能數(shù)字運動控制中的實時計算工作,可以方便地與橋式功率放大電路構(gòu)成位置閉環(huán)系統(tǒng).

LM629連線很簡單,它的數(shù)據(jù)總線與S3C2440芯片的通信包括:輸入運動參數(shù)和控制參數(shù),輸出狀態(tài)信息,PWM的輸出信號連接到H橋驅(qū)動器L298.直流電機的反饋采用增量式編碼器,編碼器的A,B兩相正交信號經(jīng)LM629內(nèi)部電路完成4倍頻.C相信號是電機每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖信號,用于電機的精確回零.LM629應(yīng)用框圖如圖2所示.

圖2 LM629應(yīng)用框圖

2.3 功率放大模塊

本設(shè)計方案采用了 ST微電子小組生產(chǎn)的L298芯片.該芯片采用雙 H橋驅(qū)動器.H橋可承受最高電壓為46 V,相位電流可達2.5 A,可驅(qū)動感性負載,支持最大PWM頻率為50 kHz,邏輯供電為5 V,功放級電壓為5～46 V.下管的發(fā)射極單獨引出,以便接入電阻,形成傳感器信號.

2.4 電源電路設(shè)計

由上述 S3C2440芯片電壓供電特點可知, S3C2440內(nèi)部供電電壓為1.2 V,外部I/O供電電壓為3.3 V.這里選用LM1117-18芯片提供1.25 V電壓,選用LM1117-33芯片提供3.3 V電壓.它們的特點是,輸出電流大,精度高,穩(wěn)定性高,功耗低.因外部電壓為12 V,所以采用LM2567芯片將12 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓.

2.5 復(fù)位電路設(shè)計

由于ARM高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低,這是對數(shù)字電路極限的挑戰(zhàn),對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源的穩(wěn)定度、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求.本設(shè)計方案采用74HC14進行驅(qū)動的RESET,nRESET可由上位機復(fù)位,進行J TAG調(diào)試.復(fù)位電路設(shè)計如圖3所示.

圖3 復(fù)位電路設(shè)計

3 底層控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括主程序模塊和中斷服務(wù)子程序模塊.主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化和中斷的設(shè)置;中斷服務(wù)程序是軟件的主體,完成系統(tǒng)的控制功能.

3.1 初始化程序設(shè)計

為了使足球機器人進入良好的工作狀態(tài)并運行,良好的初始化程序是完成各個任務(wù)的保障.該初始化流程圖如圖4所示.

圖4 初始化流程圖

3.2 關(guān)閉中斷

在系統(tǒng)進入正常工作以前要關(guān)閉中斷.中斷屏蔽寄存器MASK和SUSMASK的寄存器地址分別為“IN TMASK=0x4A0000008”和“INTSUBMASK=0x4A00001C”.將寄存器各個位置“1”屏蔽中斷,其程序如下:

@disable all interrupts

3.3 初始化系統(tǒng)時鐘

外部提供的12 MHz晶振,經(jīng)分頻可高達400 MHz,以供外圍設(shè)備使用.S3C2440內(nèi)部時鐘邏輯控制可提供CPU的FCL K時鐘、內(nèi)部總線AHP和APB的HCL K與PCL K時鐘.因此,在外圍設(shè)備正常工作以前,必須先初始化好所需的時鐘.其具體程序設(shè)定如下:

3.4 UC/OS-II的移植

因大部分的UC/OS-II[6]代碼使用ANSI C語言,因此UC/OS-II的可移植性很好.但仍需要使用C和匯編語言寫一些處理器相關(guān)代碼.進行UC/OS-II移植只需修改OS-CPU.H,OS-CPUC.C,OS-CPU-A.ASM 3個文件即可.

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

在測試中,設(shè)計了兩個標志來觀察機器人運行的平穩(wěn)性(帶有旗標的剛性鋼絲)和速度調(diào)控的平穩(wěn)性(帶有橡皮的剛性鋼絲).小車運動時,如果旗標擺動小,可知運動平穩(wěn).如果小車在檢測到目標并靠近然后停止時,橡皮標志前后擺動小,可知機器人對于速度的控制較為平穩(wěn).

機器人在最大功率運行過程中,從旗標抖動情況來看,運行較平穩(wěn),沒有發(fā)現(xiàn)偏差現(xiàn)象.在機器人從搜索到目標到接近目標時,橡皮標志始終保持一種較小且平穩(wěn)的擺動,由此可見機器人速度控制準、定位精確.

5 結(jié)語

本文采用S3C2440芯片、LM629的伺服模塊、基于L298的功率放大模塊,并移植了UC/OS-II操作系統(tǒng)對足球機器人底層控制系統(tǒng)進行了設(shè)計.本設(shè)計方案簡化了軟硬件設(shè)計,較好地解決了復(fù)雜運算算法的瓶頸問題;具有較高的速度控制精度,動態(tài)品質(zhì)優(yōu)良;實現(xiàn)了智能PID自適應(yīng)控制;還可方便地進行功能的擴展.實驗表明,該系統(tǒng)具有比較高的精度和穩(wěn)定性,系統(tǒng)設(shè)計是合理、可行的.

[1]HIROKIK,MINORUA,YASUOK,et al.RoboCup:a challenge problem for AI and robotics.[C]//HirokiK. RoboCup-97:RobotSoccerWorld Cup.Berlin: Springer,1998:38-43

[2]馬英慶.足球機器人底層自動控制系統(tǒng)硬件[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(13):118-120.

[3]ARM Limited.ARM9Technical Reference Manual (Rev4)[EB/OL].[2009-10-21].http://www.arm. com/pdfs/ARM9-familiy-flyer-34-5.pdf.

[4]鄧俊華.基于S3C2410處理器的Linux移植[J].微型電腦應(yīng)用,2009,25(8):53-55.

[5]宗光華.機器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:46-97.

[6]肖海榮.一種教學(xué)機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機電一體化,2006(5):40-43

Design of a soccer robot control system based on ARM9

LI Xiaoguang,WU Qianqiong
(Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471003,China)

A soccer robot control system based on ARM9 processor and a embedded operating system UC/OS-II were introduced.This system includes a core controller based on S3C2440,a position loop based on LM629,an amplifier based on L298,and software strategy based on UC/OS-II.The experiment results showed that the system has high accuracy and stability,the design of the system is feasibility and rationality.

Soccer Robot;Control System;ARM;LM629

TP242

A

1671-9476(2010)05-0057-03

2010-06-07

李小光(1983-),男,河南商水人,助教,在職研究生,主要從事信號與信息處理.