基于ARM9嵌入式系統(tǒng)智能滅火機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

1、基于arm9嵌入式系統(tǒng)智能滅火機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)控制器是智能處理和控制信息的主體，它挺直打算了機(jī)器人的行為和性能。近幾年來(lái)隨著高性能微控制器和系統(tǒng)技術(shù)的不斷長(zhǎng)進(jìn)，為各類(lèi)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供了解決計(jì)劃。嵌入式系統(tǒng)(es)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、技術(shù)、微技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至等先進(jìn)技術(shù)和詳細(xì)應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的系統(tǒng)，其是硬件和軟件緊密捆綁在一起的系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)器人的性能智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化都有了顯然提高。競(jìng)賽用滅火機(jī)器人需要機(jī)器人有智能較高的自動(dòng)控制性能與牢靠的機(jī)械控制性能的同時(shí)保證，才干在短時(shí)光內(nèi)精確尋覓到火源并滅火回家。在此以9處理器為核心，對(duì)基于嵌入式系

2、統(tǒng)的智能滅火機(jī)器人舉行了設(shè)計(jì)。本文將從硬件和軟件方面敘述智能滅火機(jī)器人控制器的實(shí)現(xiàn)辦法，并且給出了機(jī)器人滅火的詳細(xì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了計(jì)劃的可行性，為智能滅火機(jī)器人的進(jìn)一步討論提供了平臺(tái)。1 滅火機(jī)器人的描述滅火機(jī)器人的形狀結(jié)構(gòu)1所示，它的主要構(gòu)件有：放射傳感器(6個(gè))，紅外接收傳感器(6個(gè))，聲音傳感器(1個(gè))，滅火風(fēng)扇(前后各1個(gè))，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯?前后各7個(gè))。其中紅外放射和接受傳感器的協(xié)作用法可以使機(jī)器人自動(dòng)避障行走。遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢詸z測(cè)光的強(qiáng)弱，用于推斷房間是否有火以及趨光滅火。聲音傳感器用于啟動(dòng)。基于實(shí)踐，風(fēng)扇滅火更為牢靠，所以選用風(fēng)扇滅火。2 滅火機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)在智能滅火機(jī)器人

3、系統(tǒng)中，首先要解決的是定位問(wèn)題，故需要一個(gè)好的定位計(jì)劃。所以，控制核心需要給傳感器留足夠的輸入接口，同時(shí)也要有足夠的輸出接口用于控制外設(shè)。而速度對(duì)滅火機(jī)器人至關(guān)重要，在高速運(yùn)動(dòng)的狀況下，需要cpu具有比較強(qiáng)的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力?；谏鲜隹紤]，挑選arm9為滅火機(jī)器人的控制核心，該控制器硬件功能齊全、功耗小、周邊設(shè)備集成度高，是先進(jìn)的計(jì)算平臺(tái)。它與其他的主要部件如表1所示，系統(tǒng)總體框架2所示。3 滅火機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)因?yàn)榍度胧轿⑻幚砥鲗?duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，可以完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采納嵌入式arm9為核心的控制器(st公司的str9

4、11fam44)，實(shí)現(xiàn)了以極少的周邊芯片獲得齊全的功能。arm9處理器具有體積小，功耗低，性能高的特點(diǎn)。它集成了28路模擬信號(hào)采集通道，可以兼容數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，每路精度為10位，因此可以辨別3 mv特的輸入變幻。8路高速數(shù)據(jù)采集通道每秒可采集50萬(wàn)次信號(hào)。該處理器內(nèi)部采納哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行1.1億條機(jī)器命令，這樣的強(qiáng)大功能可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地根據(jù)規(guī)定路徑行走，并且機(jī)器人的cpu能夠?qū)崟r(shí)快速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，在較短的時(shí)光內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。在主控制器核心cpu的基礎(chǔ)上，將各種功能模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等銜接到cpu的引腳上?？刂破骺偣灿?8路模擬采樣接口。a

5、rm9控制器的系統(tǒng)圖3所示。在此選用公司生產(chǎn)的 atmega 8微處理器作為輔助。atmega 8是基于增加的avr risc結(jié)構(gòu)的低功耗8位微控制器。因?yàn)樗冗M(jìn)的命令集以及單時(shí)鐘周期命令執(zhí)行時(shí)光，atmega 8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 mhz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的沖突。avr內(nèi)核具有豐盛的命令集和32個(gè)通用工作寄存器。同時(shí)atmega 8具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括：編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器軟件器、仿真器及*估板。這樣就大大便利了在硬件基礎(chǔ)上舉行軟件設(shè)計(jì)。arm9處理器含有20路標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集通道通過(guò)atmega816-pc輔助單片機(jī)銜接到主芯片上，用以讀取遠(yuǎn)紅外傳感器

6、組及檢測(cè)端口的數(shù)值，每秒可采集1 000次。這種設(shè)計(jì)提高了端口數(shù)值讀取速度，使機(jī)器人能對(duì)周?chē)h(huán)境信息做出快速推斷。arm9微處理器與輔助單片機(jī)4所示。為了保證滅火機(jī)器人靈便行走和低功耗，需要一個(gè)體積小，超薄輕便，功耗低的。uniohm公司生產(chǎn)的滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)與單片機(jī)銜接、編程、下載、完成顯示功能。3.2 控制器電源供電設(shè)計(jì)電源挺直影響機(jī)器人運(yùn)行特性?？紤]到啟動(dòng)眨眼很大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入工作的穩(wěn)定性和牢靠性，因此這里采納雙電源供電計(jì)劃。電機(jī)電源采納容量為2 500 mah高放電倍率聚合物鋰電池，工作電壓為24 v，能提供40 a的穩(wěn)定供電電流，是一般電池的10倍；控制器電

7、源采納8.4 v鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測(cè)，控制器電源供電5所示。為獲得cpu各端口電路所需要的不同等級(jí)的電壓，該設(shè)計(jì)采納1個(gè)lm317t三端穩(wěn)壓器和2個(gè)ams1117低壓差線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器，并通過(guò)其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 v，3.3 v，1.8 v三種電壓；用1個(gè)發(fā)光ld1和限流r5作為電源指示燈，以顯示電源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，通過(guò)r1，r2分壓，引出ad19端口作為電源采樣端口。4 滅火機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人控制器是一個(gè)多任務(wù)并行執(zhí)行的實(shí)時(shí)控制器。在軟件實(shí)現(xiàn)上，滅火機(jī)器人除了要協(xié)調(diào)控制各個(gè)不同功用的電機(jī)，還需要對(duì)紅外、灰度、聲音等多

8、種傳感器接收的數(shù)據(jù)舉行傳輸、處理等。采納c語(yǔ)言可以便利快捷的編寫(xiě)程序。這里對(duì)滅火機(jī)器人的每種功能舉行模塊化處理?？傮w的思路是：尋覓火源確定火源方位，臨近火源，趨光滅火，回家。主程序設(shè)計(jì)流程圖6所示。實(shí)現(xiàn)起來(lái)最基本的就是使機(jī)器人能夠順當(dāng)?shù)闹本€(xiàn)行走和拐彎，這一模塊稱(chēng)為沿墻走(沿左墻前，沿左墻后，沿右墻前。沿右墻后)，沿右墻前7所示。詳細(xì)為：(1)若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍小時(shí)，太逼近右墻，執(zhí)行左轉(zhuǎn)微調(diào)；(2)若正前距離很大，同時(shí)右前的距離稍大時(shí)，太逼近左墻，執(zhí)行右轉(zhuǎn)微調(diào)；(3)若正前距離很大，右前距離適中，就直行；(4)若正前距離特殊小，同時(shí)右前距離特殊小時(shí)，使機(jī)器人稍后退可以防碰撞；(5)

9、若正前距離比較小，右前距離也比較小時(shí)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)；(6)右前距離很大時(shí)，機(jī)器人執(zhí)行右轉(zhuǎn)彎。其中：(1)(3)保證了在走直線(xiàn)時(shí)可以走直，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)，使機(jī)器人始終運(yùn)行在距離墻1015 cm的位置。(4)(6)保證了機(jī)器人順當(dāng)拐彎和進(jìn)房間。沿左墻行走及反方向沿墻行進(jìn)同理，詳細(xì)的參數(shù)必需在不斷實(shí)驗(yàn)中反復(fù)調(diào)整。幾種沿墻走協(xié)作用法就可以實(shí)現(xiàn)所有房間的遍歷和回家，再加上趨光和滅火的模塊就完成了囫圇滅火任務(wù)。5 滅火試驗(yàn)在硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，用c語(yǔ)言編寫(xiě)了讓器人智能搜尋房間，發(fā)覺(jué)火源并滅火回家的程序。在不斷對(duì)各種參數(shù)的調(diào)整后，該機(jī)器人可以在8 s內(nèi)完成隨意房間滅火，滅完火后，機(jī)器人自動(dòng)回家。統(tǒng)計(jì)了30組數(shù)據(jù)，如表2所示。滅火照片8所示。6 結(jié)語(yǔ)實(shí)際測(cè)試證實(shí)該設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人能夠較好完成滅火任務(wù)，具有一定參考和用法價(jià)值。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處為：以am09為核心的嵌入式系統(tǒng)的控制器運(yùn)行速度高，能夠高速采集和處理傳感器系統(tǒng)信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)8 s內(nèi)完成隨意房間滅火；該設(shè)計(jì)采納了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力；str911fam4