基于arm+dsp的小型地面移動機器人控制系統(tǒng)

1、小型地面移動機器人是上一世紀(jì)90年代提出的一種新型的機器人，由于其在軍事偵察、反恐防暴、防核化及污染等危險與惡劣環(huán)境作業(yè)中廣闊的應(yīng)用前景，使其迅速成為一個重要的研究熱點。小型地面移動機器人具有體積小，成本低，生存能力強，運動靈活等特點。由于其應(yīng)用場合特殊，所以特別要求這類機器人重量輕、體積小、能耗低、實時性好、操作實用可靠。本文介紹了一種具有多運動模式的小型輪履復(fù)合式移動機器人，并結(jié)合危險環(huán)境下移動機器人的應(yīng)用要求，對其控制系統(tǒng)的設(shè)計與

2、實現(xiàn)進(jìn)行闡述。研制完成的小型地面移動機器人采用了輪履復(fù)合機構(gòu)，如圖1所示。這種機構(gòu)為其提供了多種運動模式:輪式、履帶式、腿式以及其它多種運動姿態(tài)，這為機器人在復(fù)雜環(huán)境中的運動提供了必要的機構(gòu)保證。它不僅可以利用輪子進(jìn)行高速運動，而且可以利用四個獨立控制的擺臂實現(xiàn)爬越臺階、樓梯、凸臺等越障運動。多種運動模式極大地提高了機器人的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。機器人控制系統(tǒng)采用了ARM＋DSP結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)以及遙控半自主的工作方式，使得機器人

3、工作更具實用性，而嵌入式控制系統(tǒng)則保證了控制系統(tǒng)重量輕，體積小、實時性好、可靠性高的要求。控制系統(tǒng)功能要求小型地面移動機器人的控制系統(tǒng)將硬件系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動控制以及遙操作控制等綜合起來，集成驅(qū)動、控制、傳感和能源等于一體，首先要求具有小型化、輕量化的特點，因此要求控制系統(tǒng)尺寸小、重量輕、功耗低，能集成在機器人本體內(nèi)。其次，實時性是對控制系統(tǒng)的另一個基本要求，對于在不確定環(huán)境下的信息采集、處理以及相應(yīng)越障動作的規(guī)劃與處理對機器人控制系統(tǒng)

4、的實時性提出了更高的要求。另外，要實現(xiàn)一個全自主的移動機器人的運動控制將有諸多工程和技術(shù)方面的實際困難。遙控加半自主的工作方式是目前普遍采用的最實用的控制方式，是解決機器人智能發(fā)展水平與復(fù)雜任務(wù)要求之間矛盾的一條有效途徑。為了在復(fù)雜環(huán)境中獲取有效的信息，機器人必須配置各種類型的傳感器。所以，針對機器人系統(tǒng)的作業(yè)性能要求，配備合適的傳感器系統(tǒng)作為移動機器人的感知系統(tǒng)是非常重要的。依據(jù)機器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，整個機器人系統(tǒng)由移動平臺、車載控制

5、系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)和傳感檢測四大部分組成。對機器人控制系統(tǒng)的總體要求可歸結(jié)為:接受高層的指令實現(xiàn)機器人運動實現(xiàn)機器人4個擺臂的獨立控制和同步聯(lián)動控制，并可以完成運動模式的切換與姿態(tài)控制控制系統(tǒng)小型化、輕量化、操作靈活方便系統(tǒng)靈活性好，實時性高，具有良好的開發(fā)性和可擴展性具有遙控半自主的工作方式；具有視覺反饋功能具有感知自身狀態(tài)和環(huán)境的傳感系統(tǒng)，為遙操作或機器人行為決策提供依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成從系統(tǒng)角度看，移動機器人由近端操作人員

6、、遠(yuǎn)端移動機器人和運動環(huán)境現(xiàn)場所構(gòu)成，編碼器和伺服電機等伺服環(huán)路組成，將來自任務(wù)規(guī)劃層的動作序列轉(zhuǎn)換成各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動作，通過發(fā)送運動控制命令給電機驅(qū)動器，并通過獲取電機光電碼盤信號完成對電機的伺服控制驅(qū)動各電機運動，從而完成操作人員所賦予的作業(yè)任務(wù)。傳感反饋層位于移動機器人的最底層，用于與環(huán)境的直接交互，其功能是獲取環(huán)境信息和機器人自身狀態(tài)信息，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后通過總線和IO通道分別傳送給運動規(guī)劃層和運動控制層。ARMDSP控制模式車載計算

7、機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中最重要的部分。由于小型地面移動機器人在體積、重量等方面的限制和低功耗、高性能、實時性等方面的要求，所以對車載計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計必須采用合適的控制系統(tǒng)、軟硬件結(jié)構(gòu)及其有效的控制模式。目前機器人控制系統(tǒng)，根據(jù)其硬件構(gòu)成和控制信息處理方式不同，可分為:單機集中控制、雙機主從控制、單機＋多軸運動控制卡、多機主從分布控制方式等多種模式。根據(jù)控制器的實現(xiàn)模式及其特性的分析，結(jié)合MOBIT機器人在體積、重量、功耗、實時性等方面的要

8、求以及現(xiàn)有計算機技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，本文提出了基于ARMDSP為控制模式的嵌入式控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4ARMDSP控制結(jié)構(gòu)一方面，這種多機主從分布控制方式具有很高的工作速度和控制性能，對于任務(wù)的均衡、提高實時性等都有著明顯的優(yōu)勢，更容易實現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)與分布控制。另外，各種高性能嵌入式器件的發(fā)展，為構(gòu)造嵌入式機器人控制系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。設(shè)計中采用了上下兩級分布、CAN總線通訊的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的上位計算機由嵌入式ARM7構(gòu)成，并通過C

9、AN總線與DSP相連，整個嵌入式計算機控制系統(tǒng)置于移動機器人本體內(nèi)部，構(gòu)成移動機器人的運動控制系統(tǒng)。ARM7作為機器人主控計算機負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、遠(yuǎn)程通訊、人機交互、組織管理、任務(wù)規(guī)劃以及與下位機DSP的通訊。各DSP接受來自上位機的控制指令，按規(guī)定的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、解釋，并通過電機伺服控制器完成對電機的伺服控制。DSP在執(zhí)行運動指令的同時還將運動的執(zhí)行情況反饋給上位計算機，與上位機進(jìn)行信息交換。采用嵌入式系統(tǒng)，其處理能力接近PC機的水平