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        基于OpenWrt的移動機器人系統(tǒng)設計

        2012-06-25 02:45:48滕泓虬
        關鍵詞:直流電機移動機器人測距

        滕泓虬

        (廣東科貿職業(yè)學院,廣州 510640)

        滕泓虬(講師),主要研究領域為嵌入式技術與應用。

        引 言

        近年來隨著人工智能技術、計算機技術等相關技術的發(fā)展,對移動機器人的研究越來越廣泛。本設計是采用OpenWrt操作系統(tǒng)的移動機器人,它可實現多種不同功能,如探測險情、巡視、圖像采集、定位、無線通信等。它還可以作為各種智能控制方法(包括動態(tài)避障、路徑規(guī)劃、群體協(xié)作策略)的良好載體,開展研究。

        1 系統(tǒng)方案

        采用2層架構。上層以ARM處理器S3C2440為核心,選用MINI2440開發(fā)板作為上層的主板,負責圖像采集,并將圖像通過Wi-Fi方式發(fā)送給遠端的PC機。Wi-Fi無線通信是利用PC機與無線路由器搭建環(huán)境平臺共同實現的。

        下層是以51單片機為核心的單片機控制板,由51單片機及外圍電路組成。下層主要負責機器人移動控制,傳感器數據處理。51單片機通過I/O口輸出PWM信號控制直流電機的轉速和轉向,實現機器人的前進、停止、左轉和右轉。單片機接口電路上掛接了1個超聲波測距模塊、1個人體紅外感應模塊、1個步進電機模塊。超聲波測距模塊用來實現機器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個步進電機,而超聲波測距模塊安置在步進電機的轉軸上,步進電機不停地來回轉動,超聲波測距模塊也隨之轉動。這樣用1個超聲波測距模塊就可實現多方位測距,從而減少了超聲波測距模塊的數量。

        機器人主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。硬件系統(tǒng)主要包括:ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心,51單片機是下層的核心。軟件包括:嵌入式Linux操作系統(tǒng)、外設驅動程序、Linux應用程序以及單片機應用程序等。系統(tǒng)沒有選用通常的嵌入式Linux版本,而是另辟蹊徑,選用一種獨特的嵌入式Linux發(fā)行版之一OpenWrt作為操作系統(tǒng)。OpenWrt提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)及軟件包管理,它通過簡單易用的方式,降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻,提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)的效率。

        嵌入式智能移動機器人的工作流程為:傳感器模塊實時采集周圍環(huán)境信息,將此數據信息傳輸到機器人控制系統(tǒng)中,單片機通過數據分析獲取有效數據,從而獲知機器人與障礙物的相對位置,然后根據此位置信息產生控制信號;單片機產生PWM信號控制直流電機來控制機器人轉向,從而達到機器人自主“行走”的目的。下層的單片機與上層的ARM處理器通過串口來通信,ARM主板可將下層單片機控制板的工作數據通過無線Wi-Fi的方式傳輸到遠端的PC機。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現場圖片發(fā)給遠端的PC控制終端。

        2 系統(tǒng)硬件設計

        硬件系統(tǒng)主要包括:ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等,其中ARM處理器是上層的核心,51單片機是下層的核心。硬件結構框圖如圖1所示。

        圖1 硬件結構框圖

        由圖1可以看出,系統(tǒng)主要由以下模塊構成:圖像采集模塊、無線通信模塊、超聲波測距模塊、紅外感應模塊、MINI2440、單片機STC89C52以及直流電機驅動模塊等。下面重點介紹直流電機驅動模塊。

        直流電機驅動模塊以L298N芯片為核心,該芯片具有帶載能力強的特點。直流電機驅動電路如圖2所示。驅動電路芯片的外圍電路主要是由二極管構成的電橋電路與2組電機并聯(lián)連接,以達到控制電機按照設定運轉的目的。

        圖2 直流電機驅動電路

        移動機器人采用H橋控制方案,整體控制方案如圖3所示。

        圖3 H橋控制方案

        電機共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅動,而通過2路PWM輸出可控制一個電機,兩個電機以并聯(lián)方式連接。

        當L298N芯片使能信號ENABLE為高時,輸出才隨輸入變化,否則為高阻態(tài),所以焊接時,ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC。

        具體驅動過程為:通過編程由控制芯片經PWM發(fā)出驅動信號,PWM輸出作為L298N的輸入,經L298N轉換輸出控制信號使電機轉動,從而實現電動機的驅動。

        PWM輸出信號的高低則可以控制直流電機轉速。當占空比加大時,轉速升高;占空比減小時,轉速降低;當PWM信號輸出占空比為0時可控制電機的停止。

        當左輪停止,右輪轉時,小車左轉;當右輪停止,左輪轉動時,小車右轉。而2路PWM輸出的正負順序轉換則可控制電機的正反轉,進而控制小車的前進和后退。

        3 系統(tǒng)軟件設計

        軟件部分是移動機器人的智能化的體現,它控制移動機器人所有的運行狀態(tài)。

        操作系統(tǒng)采用了OpenWrt操作系統(tǒng),該系統(tǒng)簡化了Linux內核的定制過程,而且允許開發(fā)者使用軟件包的概念來定制嵌入式設備,從而簡化了嵌入軟件開發(fā)的流程。

        程序在Kubuntu CodeBlock IDE集成開發(fā)環(huán)境中進行編寫,用Openwrt編譯出來的ARM eabi交叉編譯工具編譯,再經過終端Sercurt-CRT通過串行口向移動終端燒入交叉編譯后的程序以及系統(tǒng)。

        應用軟件控制小車的避障、攝像、發(fā)送視頻等行為。通信方面通過在主機端用vsftp軟件架設FTP服務器,并通過IEEE 802.11g(RTL8187)無線網卡建立無線局域網。這樣,移動終端就可以接收上位機的控制命令到達指定地點拍照并發(fā)送圖片,而PC機終端就可以接收通過Wi-Fi傳送過來的圖片。

        系統(tǒng)軟件結構如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)軟件結構

        系統(tǒng)驅動程序利用MINI2440開發(fā)板提供的例程進行改寫,并編譯進內核。

        攝像頭控制軟件mjpg-streamer由Openwrt以軟件包形式提供,通過端口8080輸出為MJPEG格式的圖像。無線通信部分內容為Linux下socket編程,為客戶端提供遠程控制支持。無線通信的部分代碼如下:

        系統(tǒng)通過MINI2440驅動并控制攝像頭,通過串口控制底層的單片機,驅動無線網卡并連接,運行服務端,提供UI界面。編譯完成后的Openwrt效果圖如圖5所示。

        圖5 編譯完成的OpenWrt效果圖

        結 語

        本系統(tǒng)選用的OpenWrt操作系統(tǒng),該系統(tǒng)適合移動機器人的設計要求,系統(tǒng)提供的軟件包簡化了系統(tǒng)開發(fā)流程,提高了開發(fā)效率。經過實際調試運行,系統(tǒng)完全可以達到設計要求,可以用于探測險情、圖像采集、目標定位、無線通信等領域。

        [1]李新峰,何廣生,趙秀文.基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

        [2]尤盈盈,孟利民.構建嵌入式Linux交叉編譯環(huán)境[J].計算機與數字工程,2006(34).

        [3]孫瓊.嵌入式Linux應用程序開發(fā)詳解[M].北京:人民郵電出版社,2006(34).

        [4]俞冬麗.基于嵌入式Linux系統(tǒng)的網絡編程技術[J].中國科技信息,2006(5).

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