程勇

摘 要：智能移動機器人的研究分屬機器人技術研究領域，橫跨計算機、電子等多學科。近年來，出現(xiàn)了許多有關對移動機器人的研究，已經(jīng)涉及到物料傳輸，極度環(huán)境下的自助作業(yè)等涉及到移動機器人的行業(yè)和領域。本文主要就移動機器人控制系統(tǒng)控制結構和設計方法加以分析，然后對超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設計及移動機器人底層控制系統(tǒng)設計詳細探究。

關鍵詞：智能移動；機器人平臺；導航技術

移動智能機器人的研究方向主要包括在視覺、超聲、紅外等傳感器的基礎上，盡量建立富含動態(tài)環(huán)境模型的多傳感器融合策略。但是對于移動智能機器人的研究確實需要完整開放性的實驗平臺。因此對于能夠服務工作與生活領域的移動智能機器人的研究具有較高的研究價值。

1移動機器人控制系統(tǒng)控制結構和設計方法分析

1.1移動機器人控制系統(tǒng)控制結構分析

早期的移動機器人由于自主能力較差，往往采用單CPU或者二級CPU主從控制結構。

1.1.1單CPU集中控制結構

所謂單CPU集中控制結構即是指用一臺功能全面且較強的計算機來實現(xiàn)全部的控制功能。但不容置否的是由于多種運算只依靠一個計算機來控制，控制過程中涉及許多計算公式，所以說單CPU集中控制的結構速度還是比較慢的。

1.1.2二級CPU結構，主從式控制結構

這種方法通過把一級CPU作為主機來擔當系統(tǒng)管理的接口功能，與此同時把一級CPU的公用內存來作為二級CPU讀取，這樣一來就可以全部所有的關鍵位置的數(shù)字控制功能。但是這兩個CPU總線之間是沒有直接關系的，運轉過程中僅通過公用內存交換數(shù)據(jù)。

隨著人們對機器人技術的深入研究，機器人的智能性要求也越來越高。20世紀80年代智能控制領域著名學者Saridis提出三層分層式體系結構。分層式體系結構是一種以認知系統(tǒng)為基礎的人工智能模型，能夠提供一種良好智能系統(tǒng)的控制方式和結構，按照此體系結構設計的上下位機二級分布式結構的機器人具有較高的智能性。國外以CMU的NavLab系統(tǒng)和Rover系統(tǒng)為典型代表。博創(chuàng)公司生產(chǎn)的UP-VOYAGERII為國內此類移動機器人平臺的典型代表。在此體系結構下，從信息流上看是串聯(lián)關系，系統(tǒng)的控制行為都必須通過感知、規(guī)劃、執(zhí)行等模塊。導致控制行為的延遲和較差的實時性。而機器人在實際工作環(huán)境有可能是動態(tài)，復雜，非結構化的，要求較高的實時性。當機器人遇到突發(fā)障礙物時，可能造成避障失敗。

1.2移動機器人控制系統(tǒng)控制結構設計方法分析

為了使系統(tǒng)具有開放性，易于修改、重構和添加，本系統(tǒng)采用模塊化的設計。共包括三大模塊，各模塊之間通過CAN總線進行通訊。由于CAN總線只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，并未規(guī)定應用層協(xié)議，為了使得平臺具有更好的開放性，采用國際標準SDS應用層協(xié)議，經(jīng)過實驗證明SDS協(xié)議能夠實現(xiàn)基于混合式體系結構的思想。

超聲測距模塊：8個超聲波傳感器組成1800探測范圍的超聲波環(huán)，由8位單片機AT89s52控制超聲波的收發(fā)，實現(xiàn)障礙物信息的采集。超聲波環(huán)的探測范圍為2cm～3m，能夠實現(xiàn)近距離障礙物的探測。

電機控制模塊：用基于ARM7內核的32位單片機LPC2292作為核心控制器，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制。能直接從超聲測距模塊讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于行為體系結構的反應式避障。接受規(guī)劃層的命令實現(xiàn)基于分層式體系結構智能行為。

筆記本：完成移動機器人視覺定位，地圖建立，路徑規(guī)劃等高級智能行為。

2超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設計及移動機器人底層控制系統(tǒng)設計

2.1超聲波傳感器環(huán)系統(tǒng)設計分析

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，CAN控制器和單片機的復位信號由專用的復位芯片MAX708SESA提供。該芯片提供低電平復位和高電平復位兩種復位信號。低電平復位用于單片機和8155復位。高電平復位用于CAN控制器復位。8155只作為IO口擴展用，端子IO/M接VCC。超聲波傳感器的驅動信號為2～5us脈沖，這里通過單片機的IO口P1口來產(chǎn)生驅動信號。8個超聲波傳感器采用分組循環(huán)發(fā)射的方式啟動超聲波，一次同時驅動四個超聲波傳感器。如果分別采集四路回波信號，實時性難以保證。本系統(tǒng)通過或門電路將四路回波信號整合成一路回波信號，通過外部中斷0通知CPU。外部中斷采用電平觸發(fā)方式。傳感器系統(tǒng)的程序包括兩部分，一是驅動超聲波傳感器，并獲得相應的障礙物距離信息。二是通過CAN總線與其它模塊進行通信。

2.2移動機器人底層控制系統(tǒng)設計

與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性。ARM本身是32位處理器，集成了16位的Thumb指令集。這使得ARM可以代替16位的處理器如96系列單片機使用，同時具有32位處理器速度。ARM嵌入式系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應用在各個行業(yè)。用單片機和DSP實現(xiàn)的系統(tǒng)，采用ARM處理器同樣也可以實現(xiàn)。本文嘗試用菲利普公司生產(chǎn)的基于ARM7內核的LPC2292芯片為底層控制系統(tǒng)的核心芯片。設計一種基于ARM車載嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)移動機器人總體設計方案，底層控制系統(tǒng)需要具備讀取超聲波傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)基于行為的避障。接收規(guī)劃層的命令控制移動機器人。對移動機器人實現(xiàn)閉環(huán)控制。甚至直接在底層控制系統(tǒng)實現(xiàn)地圖建立，路徑規(guī)劃，所以底層控制系統(tǒng)必須具備如下基本模塊：電機調速D/A模塊、光電旋轉編碼器信息采集模塊、通信模塊。

3結語

綜上所述，本文參考中科院CASIA移動機器人設計方案，提出一種基于混合式體系結構的分布式控制系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)了超聲導航移動機器人的軟硬件設計。并在所設計的平臺上研究了在室內環(huán)境中如何利用多超聲波傳感器的信息建立環(huán)境地圖。希望通過此次理論研究對實際發(fā)展起到促進作用。

參考文獻：

[1]李磊.自主輪式移動機器人CASIA-Ⅰ的整體設計.高技術通訊，2013，11（5）：51-54.

[2]蔡自興.移動機器人分布式控制系統(tǒng)的設計.中南大學學報，2015，36（5）：728-730.

[3]范永，潭民.機器人控制器的現(xiàn)狀與展望.機器人，2015.21（1）：75-78.

[4]胡勁草.基于超聲波測距技術的自主式移動機器人導航系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學碩士學位論文，2014.

[5]譚定忠，王忠明，王葉蘭，何干輝，喬鋒華.機器人測距傳感器的研究[J].智能工程，2015（12）：52-54.