基于arm+dsp的小型地面移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)

1、小型地面移動(dòng)機(jī)器人是上一世紀(jì)90年代提出的一種新型的機(jī)器人，由于其在軍事偵察、反恐防暴、防核化及污染等危險(xiǎn)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(gè)重要的研究熱點(diǎn)。小型地面移動(dòng)機(jī)器人具有體積小，成本低，生存能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。由于其應(yīng)用場(chǎng)合特殊，所以特別要求這類機(jī)器人重量輕、體積小、能耗低、實(shí)時(shí)性好、操作實(shí)用可靠。本文介紹了一種具有多運(yùn)動(dòng)模式的小型輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人，并結(jié)合危險(xiǎn)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用要求，對(duì)其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與

2、實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。研制完成的小型地面移動(dòng)機(jī)器人采用了輪履復(fù)合機(jī)構(gòu)，如圖1所示。這種機(jī)構(gòu)為其提供了多種運(yùn)動(dòng)模式:輪式、履帶式、腿式以及其它多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，這為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)提供了必要的機(jī)構(gòu)保證。它不僅可以利用輪子進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，而且可以利用四個(gè)獨(dú)立控制的擺臂實(shí)現(xiàn)爬越臺(tái)階、樓梯、凸臺(tái)等越障運(yùn)動(dòng)。多種運(yùn)動(dòng)模式極大地提高了機(jī)器人的越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。機(jī)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(jī)器人

3、工作更具實(shí)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(shí)時(shí)性好、可靠性高的要求?？刂葡到y(tǒng)功能要求小型地面移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)將硬件系統(tǒng)、傳感器、驅(qū)動(dòng)控制以及遙操作控制等綜合起來，集成驅(qū)動(dòng)、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(diǎn)，因此要求控制系統(tǒng)尺寸小、重量輕、功耗低，能集成在機(jī)器人本體內(nèi)。其次，實(shí)時(shí)性是對(duì)控制系統(tǒng)的另一個(gè)基本要求，對(duì)于在不確定環(huán)境下的信息采集、處理以及相應(yīng)越障動(dòng)作的規(guī)劃與處理對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)

4、的實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。另外，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)全自主的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制將有諸多工程和技術(shù)方面的實(shí)際困難。遙控加半自主的工作方式是目前普遍采用的最實(shí)用的控制方式，是解決機(jī)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(jī)器人必須配置各種類型的傳感器。所以，針對(duì)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的感知系統(tǒng)是非常重要的。依據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由移動(dòng)平臺(tái)、車載控制

5、系統(tǒng)、遙操作系統(tǒng)和傳感檢測(cè)四大部分組成。對(duì)機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人4個(gè)擺臂的獨(dú)立控制和同步聯(lián)動(dòng)控制，并可以完成運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)性高，具有良好的開發(fā)性和可擴(kuò)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(jī)器人行為決策提供依據(jù)。控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成從系統(tǒng)角度看，移動(dòng)機(jī)器人由近端操作人員

6、、遠(yuǎn)端移動(dòng)機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)所構(gòu)成，編碼器和伺服電機(jī)等伺服環(huán)路組成，將來自任務(wù)規(guī)劃層的動(dòng)作序列轉(zhuǎn)換成各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)動(dòng)作，通過發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并通過獲取電機(jī)光電碼盤信號(hào)完成對(duì)電機(jī)的伺服控制驅(qū)動(dòng)各電機(jī)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃層和運(yùn)動(dòng)控制層。ARMDSP控制模式車載計(jì)算

7、機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分。由于小型地面移動(dòng)機(jī)器人在體積、重量等方面的限制和低功耗、高性能、實(shí)時(shí)性等方面的要求，所以對(duì)車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)集中控制、雙機(jī)主從控制、單機(jī)＋多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、多機(jī)主從分布控制方式等多種模式。根據(jù)控制器的實(shí)現(xiàn)模式及其特性的分析，結(jié)合MOBIT機(jī)器人在體積、重量、功耗、實(shí)時(shí)性等方面的要

8、求以及現(xiàn)有計(jì)算機(jī)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(jī)主從分布控制方式具有很高的工作速度和控制性能，對(duì)于任務(wù)的均衡、提高實(shí)時(shí)性等都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，更容易實(shí)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(jī)器人控制系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中采用了上下兩級(jí)分布、CAN總線通訊的體系結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的上位計(jì)算機(jī)由嵌入式ARM7構(gòu)成，并通過C

9、AN總線與DSP相連，整個(gè)嵌入式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)置于移動(dòng)機(jī)器人本體內(nèi)部，構(gòu)成移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。ARM7作為機(jī)器人主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化、遠(yuǎn)程通訊、人機(jī)交互、組織管理、任務(wù)規(guī)劃以及與下位機(jī)DSP的通訊。各DSP接受來自上位機(jī)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(jī)伺服控制器完成對(duì)電機(jī)的伺服控制。DSP在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令的同時(shí)還將運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行情況反饋給上位計(jì)算機(jī)，與上位機(jī)進(jìn)行信息交換。采用嵌入式系統(tǒng)，其處理能力接近PC機(jī)的水平