基于機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器人運(yùn)動限制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)摘要：移動機(jī)器人的運(yùn)動限制主要是完成移動機(jī)器人的運(yùn)動平臺，供應(yīng)一種移動機(jī)器人的限制方式。本文通過對移動機(jī)器人的探討，實(shí)現(xiàn)了基于渡越時間法的超聲波測距模塊設(shè)計(jì)，為機(jī)器人供應(yīng)簡潔便利的障礙物距離檢測。本文主要完成對主控板限制器軟件設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動限制器軟件設(shè)計(jì)和超聲波測距軟件的設(shè)計(jì)，使開發(fā)系統(tǒng)能夠服務(wù)于移動機(jī)器人探討的通用開發(fā)平臺。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；運(yùn)動限制；軟件設(shè)計(jì)；超聲波測距中途分類號：TP9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B0引言隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動化以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動機(jī)器人的探討進(jìn)入了一個嶄新的階段。同時，太空資源、海洋資源的開發(fā)與利用為移動機(jī)器人的發(fā)展供應(yīng)了廣袤的空間。目前，智能移動機(jī)器人，無人自主車等領(lǐng)域的探討進(jìn)入了應(yīng)用的階段，隨著探討的深化，對移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航實(shí)力，動態(tài)避障策略，避障時間等方面提出了更高的要求。地面智能機(jī)器人路徑規(guī)劃，是行駛在困難，動態(tài)自然環(huán)境中的全自主機(jī)器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機(jī)器人全地域全自主技術(shù)的探討，是當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問題。智能移動機(jī)器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面對目標(biāo)自主運(yùn)動，從而完成肯定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。移動機(jī)器人技術(shù)探討綜合了路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運(yùn)動限制等技術(shù)。涉及到包括距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外部傳感器，作為移動機(jī)器人的輸入信息。移動機(jī)器人的運(yùn)動限制主要是完成移動機(jī)器人的運(yùn)動平臺，供應(yīng)一種移動機(jī)器人的限制方式。性能良好的移動機(jī)器人運(yùn)動限制系統(tǒng)是移動機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動機(jī)器人探討的通用開發(fā)平臺。移動機(jī)器人技術(shù)探討綜合了多學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)問，關(guān)鍵技術(shù)可分為：路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位、路徑跟蹤與運(yùn)動限制技術(shù)。路徑規(guī)劃又可分為全局和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃是依據(jù)移動機(jī)器人總體任務(wù)進(jìn)行路徑規(guī)劃，將總體路徑任務(wù)分解，并建立全局地形數(shù)據(jù)庫；局部路徑規(guī)劃是依據(jù)全局規(guī)劃分解的子任務(wù)，結(jié)合移動機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)信息，實(shí)時規(guī)劃可行路徑；導(dǎo)航定位技術(shù)確定移動機(jī)器人在全局地圖中的位置，并實(shí)時得到機(jī)器人與路徑跟蹤的相對位置關(guān)系，其關(guān)鍵技術(shù)是多傳感器信息處理與數(shù)據(jù)融合技術(shù)。路徑跟蹤與運(yùn)動限制技術(shù)的任務(wù)是限制移動機(jī)器人跟蹤局部規(guī)劃給出的路徑，結(jié)合導(dǎo)航定位系統(tǒng)得到機(jī)器人本身狀態(tài)信息與道路信息，完成航向和速度限制。移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃、導(dǎo)航限制以及路徑跟蹤與運(yùn)動限制技術(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，任何一個系統(tǒng)的不完善都會導(dǎo)致整體性能的下降。1主控板軟件設(shè)計(jì)主控板硬件完成模塊管理、設(shè)備通訊及機(jī)器人定位脈沖檢測等內(nèi)容。在實(shí)際應(yīng)用中，主控板硬件還負(fù)責(zé)超聲波測距的軟件管理。主控板硬件中只有主控板限制器須要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。主控板限制器TMS320LF2407A的主要任務(wù)是超聲波測距的軟件設(shè)計(jì)管理和其他一些基本設(shè)置內(nèi)容，包括電機(jī)碼盤的正交編碼脈沖檢測。初始選定TMS320LF2407A作為主控板限制器是考慮到此限制系統(tǒng)可以作為以后機(jī)器人應(yīng)用的平臺，可以在TMS320LF2407A里嵌入實(shí)時系統(tǒng)，提升系統(tǒng)性能，便利接口開發(fā)。主控板限制器的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括模塊初始化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測和超聲波測距軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼脈沖檢測等內(nèi)容。圖1主控板限制器程序流程圖。圖1主控板限制器程序流程圖復(fù)位向量地址為程序入口，然后程序進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括擴(kuò)展方式、溢出方式、DARAM、倍頻、JTAG等基本配置。另外還有運(yùn)用的相關(guān)I／O的設(shè)置、程序運(yùn)用相關(guān)定時器的設(shè)置、程序運(yùn)用相關(guān)中斷的設(shè)置和串口通訊的相關(guān)設(shè)置。這些配置都是限制器運(yùn)用的基本配置流程。初始化之后會開啟相關(guān)的中斷程序，隨后進(jìn)入超聲波測距程序，并始終循環(huán)。中斷服務(wù)程序處于就緒狀態(tài)，一旦有中斷發(fā)生，中斷服務(wù)程序馬上執(zhí)行。在TMS320LF2407A的全部程序中，須要對其串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序做說明。異步通信運(yùn)用三條線(地線、發(fā)送線、接收線)連接采納RS232格式的終端。發(fā)送各位依次為一個起始位、l～8個數(shù)據(jù)位、可選的一個奇偶校驗(yàn)位、1~2個停止位。因此串口通訊能夠傳輸?shù)淖畲蟮臄?shù)據(jù)單位為8位，即一個字節(jié)。在設(shè)計(jì)中限制器和各終端會有各種類型的數(shù)據(jù)溝通，如整形數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此須要對串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。四個字節(jié)的單精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)榇诿看巫疃嘀荒軅鬏斠粋€字節(jié)，所以只須要把每個四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的存儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)形式發(fā)送即可，設(shè)計(jì)中采納強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的方式完成。數(shù)據(jù)接收的時候也可以實(shí)行同樣的處理方式，反向轉(zhuǎn)換即可。另外在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上也可選擇共用體來實(shí)現(xiàn)，共用體的實(shí)質(zhì)和上面講解并描述的類型轉(zhuǎn)換是一樣的，只是共用體的各個數(shù)據(jù)類型占用的存儲空間是共同的，對于這個存儲空間，共用體定義的任何結(jié)構(gòu)類型變量都可以調(diào)用。上位機(jī)里的串口數(shù)據(jù)處理采納的是這種方法，非常便利。對于正交編碼脈沖的檢測，TMS320LF2407A具有獨(dú)立的正交編碼脈沖單元，只要對單元寄存器進(jìn)行簡潔設(shè)置即可得到機(jī)器人驅(qū)動輪的運(yùn)行方向和距離參數(shù)。TMS320LF2407A將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)建模，對數(shù)據(jù)加以處理后得到機(jī)器人的位姿信息。2電機(jī)驅(qū)動軟件設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動軟件完成電機(jī)的驅(qū)動限制和閉環(huán)調(diào)速。驅(qū)動限制運(yùn)用的是電機(jī)驅(qū)動主控芯片STCl2C4052AD的片內(nèi)PWM外設(shè)單元，生成的PWM信號經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)，可以通過調(diào)整PWM占空比來調(diào)整加載在電機(jī)上24VDC電壓的占空比，從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM占空比由片內(nèi)8位的PWM限制寄存器進(jìn)行限制，該寄存器取值范圍為0-255，分別代表PWM信號占空比從l到0的連續(xù)變更。同時STCl2C4052AD接收電機(jī)光電碼盤的脈沖信號，利用片內(nèi)時鐘計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度，通過速度限制算法完成電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。電機(jī)驅(qū)動及閉環(huán)調(diào)速軟件算法流程圖如圖2所示。圖2電機(jī)驅(qū)動限制器程序流程圖如上圖所示，程序起先后進(jìn)行初始化，初始化包括程序運(yùn)用相關(guān)變量定義、10ms定時器0、定時器l及串口、脈沖計(jì)數(shù)用外中斷0、看門狗等寄存器的設(shè)置和電機(jī)狀態(tài)參數(shù)(剎車、速度)等的初始化。然后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，循環(huán)過程中更新看門狗寄存器的相關(guān)標(biāo)記位。速度檢測和閉環(huán)調(diào)速程序分別在外中斷0和定時器0中完成。中斷服務(wù)程序也就包含了外中斷0、定時器0以及串口中斷服務(wù)程序。外中斷0是電機(jī)光電碼盤的脈沖檢測外設(shè)，全部電機(jī)光電碼盤的脈沖都會引起外中斷0的中斷。碼盤脈沖測速的原理是計(jì)算STCl2C4052AD單位定時時間內(nèi)的脈沖數(shù)目，因此外中斷0的中斷服務(wù)程序的內(nèi)容就是對脈沖計(jì)數(shù)。而上位機(jī)設(shè)定的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)速也會被轉(zhuǎn)換為此單位定時時間內(nèi)的脈沖數(shù)目?？梢远x一個全局變量，每次進(jìn)入外中斷0的中斷將該變量加1即可。另外為防止程序干擾，應(yīng)當(dāng)對計(jì)數(shù)值加以修正，如小于0的時候等于0，大于某一設(shè)定值的時候等于某一設(shè)定值等。3超聲波測距軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的超聲波測距軟件利用了常用超聲波測距的渡越時間法。渡越時間法的工作原理為放射超聲波的同時起先計(jì)時，接收到超聲波后停止計(jì)時，記錄超聲波的傳輸時間為t，那么超聲波測距模塊和障礙物的距離為s由下式表示。S=v*t/2其中v為超聲波在空氣中的傳播速度。由下式表示。其中，T為空氣的華氏溫度。在常溫下，超聲波的傳輸速度隨溫度變更并不太大，而且超聲波的傳輸時間都為毫秒級，因此影響不是很大。不過也可以為超聲波測距模塊添加一個溫度校正模塊，檢測環(huán)境溫度，再在主控板限制器計(jì)算超聲波速度時進(jìn)行修正?，F(xiàn)在市場已有集成溫度檢測器件，也很便利。超聲波測距的主要流程為放射超聲波以后，假如有反射超聲波信號返回，則由外中斷0接收計(jì)算距離。在超聲波信號放射的同時打開定時器3，定時時間為最大超聲波測量距離所需的傳輸時間，假如在定時器3中斷的時候還沒有外中斷0中斷事務(wù)發(fā)生，即沒有反射超聲波信號返回，那么在進(jìn)入定時器3中斷的時候關(guān)閉超聲波返回中斷和超聲波傳輸時間定時器l，進(jìn)行下一次的超聲波測距循環(huán)。程序流程圖如圖3所示。圖3超聲波測距程序流程圖外中斷0接收到超聲波測距信號返回，則進(jìn)入外中斷0服務(wù)程序進(jìn)行測距程序處理。若沒有超聲波信號返回則將發(fā)生定時器3的定時中斷，說明等待超時，設(shè)定測距范圍內(nèi)無障礙物。兩種狀況都將引發(fā)等待標(biāo)記位的變更，程序跳出等待狀態(tài)，更改工作超聲波測距模塊，進(jìn)行下一個超聲波模塊的測距處理。外中斷0和定時器0的程序流程圖如圖4所示。圖4外中斷0和定時器3程序流程圖圖中A為外中斷0程序流程圖。進(jìn)入中斷服務(wù)程序表示有超聲波信號返回。程序起先關(guān)閉全部系統(tǒng)的可屏蔽中斷和測距運(yùn)用外設(shè)，讀取定時器l計(jì)數(shù)值，計(jì)算障礙物距離。更改程序循環(huán)標(biāo)記，然后中斷服務(wù)程序返回。B為定時器3的程序流程圖。進(jìn)入中斷服務(wù)程序表示測距范圍內(nèi)無障礙物，因此只用關(guān)閉系統(tǒng)的可屏蔽中斷和測距運(yùn)用外設(shè)，干脆更改程序循環(huán)標(biāo)記，退出中斷服務(wù)程序即可。設(shè)置定時器1不產(chǎn)生中斷，而設(shè)置定時器1為定時最