一種用于空巢老人陪護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)――軟件及控制系

1、一種用于空巢老人陪護(hù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鄧陳凱(淮陰工學(xué)院摘要:本文以淮陰工學(xué)院2013級(jí)畢業(yè)設(shè)計(jì)為背景,介紹了助老機(jī)器人的控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)流程。該機(jī)器人主要機(jī)架由周義強(qiáng)同學(xué)設(shè)計(jì)制作,以Freescale半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MC9S12XS128為核心控制器,在CodeWarrior 5.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、傳感器電路設(shè)計(jì)及信號(hào)處理、控制算法和策略優(yōu)化等多個(gè)方面。為了提高助老機(jī)器人的行駛速度和可靠性,對(duì)比了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合PC調(diào)試平臺(tái)進(jìn)行了大量底層和上層測(cè)試,最終確定了現(xiàn)有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)控制參數(shù)。關(guān)鍵詞:Freescale

2、 助老機(jī)器人攝像頭 PID控制1 助老機(jī)器人設(shè)計(jì)制作思路及技術(shù)方案概要說(shuō)明1.1 助老機(jī)器人整體框架助老機(jī)器人是在車(chē)模結(jié)構(gòu)的框架上,搭上硬件結(jié)構(gòu),通過(guò)單片機(jī)的處理能力,將傳感器采集到的信息處理分析后得出運(yùn)算結(jié)果,指揮電機(jī)和舵機(jī)做出適應(yīng)實(shí)際需求的一套系統(tǒng)。其硬件結(jié)構(gòu)框架如下圖: 圖1.1 硬件結(jié)構(gòu)框架示意圖 1.2 周?chē)h(huán)境檢測(cè)周?chē)h(huán)境的檢測(cè)是機(jī)身控制的基礎(chǔ),為了提高行駛的穩(wěn)定性和優(yōu)化行車(chē)線路,很多設(shè)計(jì)都把重點(diǎn)放在使傳感器感知更遠(yuǎn)的距離上、獲取更多的信息?，F(xiàn)在我們采用的為攝像頭方案,這種方案獲取的賽道信息豐富,但電路設(shè)計(jì)和軟件處理較復(fù)雜,且信息更新速度較慢。一方面,攝像頭所能檢測(cè)的路況信息遠(yuǎn)多于

3、“線型檢測(cè)陣列”所能檢測(cè)的信息,有利于區(qū)分各種道路類(lèi)型;另一方面,攝像頭檢測(cè)范圍調(diào)整靈活,可以提供足夠遠(yuǎn)的預(yù)判距離。實(shí)際上,通過(guò)“超頻”和提高代碼效率,并選擇合適的圖像處理算法,使用比賽規(guī)定的單片機(jī)完全可以對(duì)低線數(shù)黑白攝像頭的視頻信號(hào)進(jìn)行采樣和處理,有效識(shí)別出路況信息。1.3 機(jī)身控制助老機(jī)器人應(yīng)根據(jù)前方道路類(lèi)型和當(dāng)前機(jī)身的位置誤差及速度,對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)角和驅(qū)動(dòng)電機(jī)PWM 波的占空比進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。關(guān)于這方面的控制方案有PID 控制、Bang-Bang 控制和模糊控制等。電機(jī)速度閉環(huán)控制使用PID 控制。2 控制電路設(shè)計(jì)說(shuō)明硬件組成:主板、驅(qū)動(dòng)板、攝像頭、旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)2.1 主板主

4、板集成了機(jī)器人控制的所有電路,穩(wěn)定性很重要。2.1.1 CPU 選型我們選用了FreescaleMC9S12XS128 作為微控制器,前期考察了MC9S12XS128,以下簡(jiǎn)稱S12。S12 是一款常用的16 位MCU,有豐富的片內(nèi)資源,其資料豐富。S12 的片內(nèi)RAM 為8KB,能基本滿足攝像頭圖像采集時(shí)保存多個(gè)幀緩沖區(qū)的需要;S12 的最高CPU 總線頻率為40MHz,可以將其超頻至80MHz 甚至更高進(jìn)行使用,然而這是以犧牲穩(wěn)定性為代價(jià)的。采用中斷進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)會(huì)消耗大約10%的CPU 資源;采用外部計(jì)數(shù)電路會(huì)導(dǎo)致電路臃腫,體積膨脹;采用時(shí)分復(fù)用計(jì)數(shù)端口的思路則會(huì)犧牲速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外

5、,S12 不具有外部總線,為了對(duì)攝像頭信號(hào)進(jìn)行采集,只能使用片內(nèi)的AD 轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速率較低,導(dǎo)致圖像每行的點(diǎn)數(shù)不能滿足需求。如果需要輸入片外數(shù)字信號(hào),則有兩種思路:使用同步信號(hào)和不使用同步信號(hào)。使用同步信號(hào)會(huì)造成速度過(guò)慢的問(wèn)題,不使用同步信號(hào)則需要將指令周期與收到數(shù)據(jù)的周期進(jìn)行精確的對(duì)齊,稍有差錯(cuò)就會(huì)采集到無(wú)效的數(shù)據(jù)。 圖2.1.1 核心板實(shí)物2.1.2 電源模塊設(shè)計(jì)電源是一個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),電源模塊為系統(tǒng)其他各個(gè)模塊提供所需要的能源保證,因此電源模塊的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。機(jī)器人系統(tǒng)中接受供電的部分包括:傳感器模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)模塊等。設(shè)計(jì)中,除了需要考慮電壓范圍和電流

6、容量等基本參數(shù)外,還要在電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。機(jī)器人全部硬件電路的電源由7.2V,2A/h 的可充電鎳鎘電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電流容量各不相同,因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路,將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。機(jī)器人所需電源如圖2.1.2所示。 圖2.1.2 電源整體原理圖2.1.2 按鈕和蜂鳴器 圖 2.1.4 按鈕、蜂鳴器電路圖2.1.3 外圍接口主板需要和一些外部設(shè)備進(jìn)行連接,因此需要留出一些接口。由于這是一個(gè)私人使用的小系統(tǒng),接口不需要遵循公共的標(biāo)準(zhǔn),只要定義清晰、插拔方便、不

7、容易混淆或反插即可。需要留出的接口如下:一個(gè)JTAG 接口,14pin,用于連接JTAG、OSBDM 等燒寫(xiě)器對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。一個(gè)帶電源的SPI 接口,6pin,用于連接支持SPI 總線協(xié)議的外圍設(shè)備。一個(gè)帶電源的SCI 接口,4pin,用于連接支持SCI 總線協(xié)議的外圍設(shè)備。一個(gè)帶電源輸入、2 路GPIO 及4 路PWM 信號(hào)輸出的接口,10pin,用于連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板,并從電機(jī)驅(qū)動(dòng)板獲取電源。一個(gè)帶電源和一路PWM 的接口,3pin,用于連接舵機(jī)。2.2 驅(qū)動(dòng)板單片機(jī)輸出使用兩種模擬電平來(lái)表示0 和1 的數(shù)字信號(hào),然而輸出電流很小,無(wú)法直接連接直流電動(dòng)機(jī)之類(lèi)的大電流器件,因此需要使用驅(qū)動(dòng)電

8、路。為了能讓直流電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)工作,需要使用H 橋電路。為了縮短開(kāi)發(fā)周期,我們使用了成熟的BTS7960B 芯片進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一片BTS7960B 是一個(gè)半橋,使用兩片BTS7960B 芯片組成一個(gè)H 橋驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。 圖2.2 BTS7960 功能示意圖上圖中兩片BTS7960B 組成的電路有三路輸入信號(hào),分別對(duì)應(yīng)使能和兩個(gè)半橋。我們將使能信號(hào)連接至S12的IO 口,半橋控制信號(hào)連接至S12的PWM 端口,通過(guò)調(diào)節(jié)輸出PWM 信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)力矩的控制,上層通過(guò)一個(gè)閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)速度控制。2.3 攝像頭數(shù)字?jǐn)z像頭是一種數(shù)字視頻的輸入設(shè)備,利用光電技術(shù)采集影像,而不像視頻采集卡那樣首

9、先用模擬的采集工具采集影像,再通過(guò)專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換組件完成影像的輸入。數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單,輸出即為數(shù)字信號(hào)。模擬攝像頭多為CCD 的,按不同檔次分辨率不同。與數(shù)字?jǐn)z像頭同級(jí)的模擬攝像頭一般有較高的分辨率,較好的實(shí)時(shí)性。主板上具有模擬視頻輸入接口,因此我們選擇模擬攝像頭。經(jīng)過(guò)一些比較,我們選擇了一款模擬針孔CCD 攝像頭。 圖2.3 攝像頭安裝位置2.4 NRF24L01無(wú)線通信模塊該射頻模塊集成了NORDIC 公司生產(chǎn)的無(wú)線射頻芯片NRF24L01支持2.4GHz 的全球開(kāi)放ISM 頻段,最大發(fā)射功率為10dBm ,功耗低,等待模式時(shí)電流消耗為22uA 。圖2.4 無(wú)線通信模塊示意圖2.

10、5 伺服電機(jī)舵機(jī)接受脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)。舵機(jī)每捕捉到一次脈沖,就根據(jù)脈沖的寬度,通過(guò)內(nèi)置的閉環(huán)控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。脈沖之間的間隔不能太短,否則會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)工作不正常,通常取10-20ms 。我們都使用單片機(jī)的PWM 模塊來(lái)控制舵機(jī),使單片機(jī)輸出一個(gè)50-100Hz 的PWM ,通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制。我們選用輝盛M995型號(hào)的舵機(jī),如圖所示:遠(yuǎn)紅外測(cè)攝像頭 升降電機(jī)2.6 直流電機(jī)選用的普通的直流減速電機(jī)。3 控制軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1 系統(tǒng)片內(nèi)資源MC9S12XS單片機(jī)是以CPU12的V2內(nèi)核為核心的單片機(jī)系列。最高總線速度從25MHz提高到了40MHz。128KFlas

11、h,8K RAM,2K EEPROM、2個(gè)SCI,2個(gè)SPI、1個(gè)IIC、2個(gè)CAN、16路12位ADC、8路PWM、8路16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位秒沖累加器,支持單線BDM調(diào)試。3.2 視頻采集得到一段視頻信號(hào)后,可以從中提取黑線位置,是否為起始線,這些信息可以被用于舵機(jī)和電機(jī)等執(zhí)行器件進(jìn)行控制。采集到的圖像分辨率為172*40,主要包含前景和背景兩部分。前景是指路線上的黑色部分,包括黑線和起始線。背景指路線上未貼黑線的白色部分,以及道路外的其它部分。將數(shù)字圖像分為多個(gè)子區(qū)域被稱為圖像分割。 3.3 速度控制分層是解決系統(tǒng)復(fù)雜性的有效方法。我們的速度控制算法分為頂層和底層,頂層負(fù)責(zé)根據(jù)傳

12、感器的信息給定一個(gè)速度,底層負(fù)責(zé)通過(guò)閉環(huán)反饋來(lái)進(jìn)行速度控制。3.3.1 頂層速度控制采用了簡(jiǎn)單的頂層速度控制算法,在采集到的圖像中,如果前方?jīng)]有障礙物,就給高速,否則就給低速。低速設(shè)置為路況中轉(zhuǎn)彎的極限速度,實(shí)際表明,采用這種方法進(jìn)行速度分配,直行,轉(zhuǎn)彎都能安全通行。3.3.2 底層速度控制底層速度控制是采用的PID控制。考慮到電機(jī)的非線性特征,在根據(jù)PID得出PWM值之后,進(jìn)行了一個(gè)非線性的二次曲線轉(zhuǎn)換。加入轉(zhuǎn)換后,在正反兩個(gè)方向上,電機(jī)都能在確定的時(shí)間中轉(zhuǎn)滿方向。3.4 舵機(jī)控制3.4.1 舵機(jī)頂層控制量選定機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中,需要用舵機(jī)來(lái)控制攝像頭的轉(zhuǎn)向,還有,需要通過(guò)舵機(jī)來(lái)控制機(jī)械手臂

13、的上下運(yùn)動(dòng)。所以舵機(jī)頂層控制量選用的是攝像頭直面前方的位置,機(jī)械手的最上面的位置。3.4.2 舵機(jī)頂層控制量修正對(duì)于機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng),通過(guò)對(duì)頂層控制量的修正,來(lái)完成這幾項(xiàng)任務(wù)。參考文獻(xiàn)1 Tinku Acharya 等. 數(shù)字圖像處理原理與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,20072 龔路,王浩,黃炫圭. 第六屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車(chē)競(jìng)賽上海交大SmartStar隊(duì)技術(shù)報(bào)告R.上海:上海交通大學(xué),20113 李向南,饒建華,王沖等.寶石磨雕機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)J.制造業(yè)自動(dòng)化,2012(14 劉存桓.基于視覺(jué)信息的移動(dòng)機(jī)器人非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.山東大學(xué),20125 黨宏社,韓崇昭,段

14、戰(zhàn)勝. 智能車(chē)輛系統(tǒng)發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)概述. 公路交通科技2002 年12 月Vol.19-No.69 周風(fēng)余,田國(guó)會(huì),郭丹,等. 助老助殘服務(wù)機(jī)器人機(jī)載計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)N. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版,2011(1.附錄C程序代碼void main(void/* put your own code here */chaopin(;pwm_init(;SPI_Init(;SciInit(;開(kāi)始初始化路徑規(guī)劃采集圖像需要使用藥物圖像處理圖像處理Nrf24l01_init(;RX_mode_init(;PIT(;DDRB=0XFF; /舵機(jī)接口DDRM=0XFF; /電機(jī)方向控制syn6288(

15、text1,sizeof(text1;Delay1ms(500;syn6288(text2,sizeof(text2;Delay1ms(1000;EnableInterrupts;for(; for(time=0;time500;time+status=Read_IRQ(&statusT,&statusR,&statusM ; if(statusM Clr_IRQ(;if(statusT Clr_IRQ(;if(statusR Clr_IRQ(;RxPacket(;fangxiang1=RxData2;fangxiang2=RxData3;jiaodu0=RxData4;jiaodu1=RxD

16、ata5;/動(dòng)作控制jiaodu2=RxData6;jiaodu3=RxData7;sudu=RxData8; /速度控制wenzi0=RxData9;wenzi1=RxData10;wenzi2=RxData11;wenzi3=RxData12;wenzi4=RxData13;wenzi5=RxData14;wenzi6=RxData15;wenzi7=RxData16;wenzi8=RxData17;wenzi9=RxData18;wenzi10=RxData19;wenzi11=RxData20;/接收文字wenzi12=RxData21;wenzi13=RxData22;wenzi14

17、=RxData23;wenzi15=RxData24;wenzi16=RxData25;wenzi17=RxData26;wenzi18=RxData27;wenzi19=RxData28;/ wenzi20=RxData30;/ wenzi21=RxData31;if(fangxiang1=1&fangxiang2=1 PTM_PTM0=1;PTM_PTM1=0;PTM_PTM2=1;PTM_PTM3=0;PWMDTY01=sudu*10;PWMDTY23=sudu*10;if(fangxiang1=2&fangxiang2=2 PTM_PTM0=0;PTM_PTM1=1;PTM_PTM2=

18、0;PTM_PTM3=1;PWMDTY01=sudu*10;PWMDTY23=sudu*10;if(fangxiang1=1&fangxiang2=2 PTM_PTM0=0; PTM_PTM1=1; PTM_PTM2=1; PTM_PTM3=0; PWMDTY01=sudu*10; PWMDTY23=sudu*10; if(fangxiang1=2&fangxiang2=1 PTM_PTM0=1; PTM_PTM1=0; PTM_PTM2=0; PTM_PTM3=1; PWMDTY01=sudu*10; PWMDTY23=sudu*10; if(fangxiang1=0&fangxiang2=0 PTM_PTM0=1; PTM_PTM1=1; PTM_PTM2=1; PTM_PTM3=1; PWMDTY01=0; PWMDTY23=0; if(wenzi0!=0