自主行走機(jī)器人小車的軟硬件研究

1、. . . . 自主行走機(jī)器人小車的軟硬件研究馬曉南(自動化與電氣工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：邵世凡)摘要：本文通過對ARM開發(fā)和研究，實現(xiàn)移動機(jī)器人小車自主行走，速度反饋和紅外線避障的功能。小車系統(tǒng)的組成主要包括避障傳感器部分，電機(jī)控制部分，速度反饋部分以與ARM嵌入式系統(tǒng)核心控制部分。避障傳感器系統(tǒng)采用紅外線技術(shù)，主要完成對障礙物的感應(yīng)；移動機(jī)器人小車的電機(jī)控制轉(zhuǎn)速部分采用步進(jìn)電機(jī)作為電機(jī)首選；還有速度反饋的部分，由于ARM板部沒有記數(shù)的功能，我們就設(shè)計了傳感器數(shù)據(jù)讀取的一個系統(tǒng)。最后，貫穿整篇文章的是對機(jī)器人的核心部分（基于ARM嵌入式系統(tǒng)）的研究和設(shè)計，主要讓操作系統(tǒng)完成控制功能（主要是通過接

2、收避障系統(tǒng)感應(yīng)外界環(huán)境所返回的信號，進(jìn)而控制運動控制系統(tǒng)，從而完成一個自主運動的智能功能）。關(guān)鍵詞：ARM板；自主行走；紅外線感應(yīng)；嵌入式操作系統(tǒng)；電機(jī)Abstract:The main idea of the Thesis is passed developing and studying to ARM, Realize the Function of displacement robot handcart going autonomously, Speed couples back and Infrared ray avoids blocker.Systematic composition

3、 includes a handcart mainly avoiding blocker sensor part, Electric motor control section, Speed couples back part and ARM implants dyadic system core control section. Avoid blocker sensor system adopt the infrared ray technology, Accomplish the induction to obstruction mainly.The rotation rate part

4、displacement robot handcart electric motor is controlled adopt step-by-step electric motor to elect as the electric motor head,Since not having mark number function in the inside of ARM board,we have designed a system that the sensor data fetches right away,Through the entire sheet article's fin

5、ally, is to study and design that (owing to that ARM implants style systematically) to robotic core part,Dodging OS mainly to accomplish a control function (is by the fact that taking-over avoids meeting signal returned to by blocker system induced the external world environment mainly , controls mo

6、tion navar then , accomplishes a intelligence function acting on self's own moving thereby).Keywords：ARM board； Going autonomously；Infrared ray induction； Embedded Operation Syetem,；Electric motor1 緒論1.1 機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機(jī)器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它

7、還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。但從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求，展望21世紀(jì)，機(jī)器人將是一個與20世紀(jì)計算機(jī)的普與一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在21世紀(jì)的前20年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期。機(jī)器人的核心是控制系統(tǒng).機(jī)器人的先進(jìn)性和功能是強弱通常都直接與其控制系統(tǒng)

8、的性能有關(guān).機(jī)器人是一項跨多學(xué)科的綜合性丟術(shù),涉與自動控制.計算機(jī).傳感器.人工智能.電子技術(shù)和機(jī)械工程等多種學(xué)科的容.機(jī)器人有三個方面是我們必要去發(fā)展的理由:一個是機(jī)器人干人不愿意干的事，把人從有毒的、有害的、高溫的或危險的，這樣的環(huán)境中解放出來，同時機(jī)器人可以干不好干的活，比方說在汽車生產(chǎn)線上我們看到工人天天拿著一百多公斤的焊鉗,一天焊幾千個點，就重復(fù)性的勞動，一方面他很累，但是產(chǎn)品的質(zhì)量仍然很低；另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的機(jī)器人發(fā)展的一個理由，比方說人們對太空的認(rèn)識，人上不去的時候，叫機(jī)器人上天，上月球，以與到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以與在微觀環(huán)境下，對原子分子進(jìn)

9、行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述方面的三個問題，也就是說機(jī)器人發(fā)展的三個理由。根據(jù)工作環(huán)境的不同，移動機(jī)器人可以分為室外移動機(jī)器人和室移動機(jī)器人.室外移動機(jī)器人工作在室外環(huán)境中，應(yīng)用于交通領(lǐng)域的自主陸地車(ARV) 、應(yīng)用于海洋開發(fā)的深海探測機(jī)器人、以與應(yīng)用于火星探險的探路者機(jī)器人等屬于室外移動機(jī)器人。室移動機(jī)器人工作在室環(huán)境中，應(yīng)用在現(xiàn)代化工廠和大型物流中心的運輸機(jī)器人是它們的典型代表，近來服務(wù)和娛樂領(lǐng)域也提出了對智能移動機(jī)器人強烈需求，如醫(yī)院、辦公室、家庭里的服務(wù)機(jī)器人和博物館導(dǎo)游機(jī)器人.在20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，

10、那么很多研究機(jī)構(gòu)開始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的ABB公司，德國的KUKA機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的FUNAC公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用。所以從這圖可以看出機(jī)器人發(fā)展的幾個過程。移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)多種多樣10，可以是輪式的、步行式，履帶式的等等，采用何種移動機(jī)構(gòu)要根據(jù)機(jī)器人的工作環(huán)境確定，如水下機(jī)器人和飛行機(jī)器人就需要采用專門設(shè)計的推進(jìn)器做為移動機(jī)構(gòu).輪式移動機(jī)構(gòu)包括從單輪式、兩輪式、三輪式、四輪式到多輪式許多類型;步行式

11、的也可分為雙足式和多足式.輪式移動機(jī)構(gòu)適合平坦地形，具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快等優(yōu)點，機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制可以參考汽車技術(shù)領(lǐng)域的成果，在平面運動機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛。那么機(jī)器人是人類的得力助手，能友好相處的可靠朋友，將來我們會看到人和機(jī)器人會存在一個空間里邊，成為一個互相的助手和朋友。機(jī)器人會不會產(chǎn)生飯碗的問題。我們相信不會出現(xiàn)“機(jī)器人上崗，工人下崗”的局面，因為人們隨著社會的發(fā)展，實際上把人們從繁重的體力和危險的環(huán)境中解放出來，使人們有更好的崗位去工作，去創(chuàng)造更好的精神財富和文化財富，機(jī)器人來做這些危險環(huán)境的工作，展望21世紀(jì)機(jī)器人將是一個與20世紀(jì)計算機(jī)的普與一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，所以很多專家

12、預(yù)測，在21世紀(jì)的前20年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期，目前國際上很多國家，也對機(jī)器人對人類社會的影響的估計提出了新的認(rèn)識，同時，我們也可以看到機(jī)器人技術(shù)，涉與到多個學(xué)科，機(jī)械、電工、自動控制、計算機(jī)測量、人工智能、傳感技術(shù)等等，它是一個國家高技術(shù)實力的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。1.2 嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義，一般認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。典型的嵌入式系統(tǒng)有各種使用x86的小型嵌入式工控主板，以與

13、使用Intel、Samsung、Motorola等專用芯片構(gòu)成的小系統(tǒng)。1.2.2嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)可以稱為后PC時代和后網(wǎng)絡(luò)時代的新秀。與傳統(tǒng)的通用計算機(jī)、數(shù)字產(chǎn)品相比，利用嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品有其自身的特點：1、由于嵌入式系統(tǒng)采用的是微處理器，獨立的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)相對單一的功能，所以往往不需要大量的外圍器件，因而在體積上，功耗上有其自身的優(yōu)勢。2、嵌入式系統(tǒng)由于空間和各種資源相對不足，硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能。3、嵌入式系統(tǒng)為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。4、為適應(yīng)

14、嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上網(wǎng)需求，嵌入式系統(tǒng)要求配備一種或多種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口。1.2.3嵌入式系統(tǒng)的兩大分支由于嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)要嵌入到對象體系中，實現(xiàn)的是對象的智能化控制，因此，它有著與通用計算機(jī)系統(tǒng)完全不同的技術(shù)要求與技術(shù)發(fā)展方向。通用計算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要高速、海量的數(shù)值計算；技術(shù)發(fā)展方向是總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴(kuò)大。而嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)要求則是對象的智能化控制能力；技術(shù)發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。早期，人們勉為其難地將通用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在大型設(shè)備中實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。然而，對于眾多的對象系統(tǒng)（如家用電器、儀器儀表、工控單元），無法嵌

15、入通用計算機(jī)系統(tǒng)，況且嵌入式系統(tǒng)與通用計算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向完全不同，因此，必須獨立地發(fā)展通用計算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，這就形成了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的兩大分支。如果說微型機(jī)的出現(xiàn)，使計算機(jī)進(jìn)入到現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展階段，那么嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的誕生，則標(biāo)志了計算機(jī)進(jìn)入了通用計算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時代，從而導(dǎo)致20世紀(jì)末，計算機(jī)的高速發(fā)展時期。1.2.4嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)起源于微型機(jī)時代，但很快就進(jìn)入到獨立發(fā)展的單片機(jī)時代。在單片機(jī)時代，嵌入式系統(tǒng)以器件形態(tài)迅速進(jìn)入到傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)域中，以電子技術(shù)應(yīng)用工程師為主體，實現(xiàn)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化，而計算機(jī)專業(yè)隊伍并

16、沒有真正進(jìn)入單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。因此，電子技術(shù)應(yīng)用工程師以自己習(xí)慣性的電子技術(shù)應(yīng)用模式，從事單片機(jī)的應(yīng)用開發(fā)。這種應(yīng)用模式最重要的特點是：軟、硬件的底層性和隨意性；對象系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的密切相關(guān)性；缺少計算機(jī)工程設(shè)計方法。雖然在單片機(jī)時代，計算機(jī)專業(yè)淡出了嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，但隨著后PC時代的到來，網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)得以發(fā)展；同時，嵌入式系統(tǒng)軟、硬件技術(shù)有了很大的提升，為計算機(jī)專業(yè)人士介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊天地。計算機(jī)專業(yè)人士的介入，形成的計算機(jī)應(yīng)用模式帶有明顯的計算機(jī)的工程應(yīng)用特點，即基于嵌入式系統(tǒng)軟、硬件平臺，以網(wǎng)絡(luò)、通信為主的非嵌入式底層應(yīng)用。由于嵌入式系統(tǒng)最大、最廣、最底層的應(yīng)用是傳統(tǒng)電子技術(shù)領(lǐng)

17、域的智能化改造，因此，以通曉對象專業(yè)的電子技術(shù)隊伍為主，用最少的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開銷，以8位機(jī)為主，帶有濃重的電子系統(tǒng)設(shè)計色彩的電子系統(tǒng)應(yīng)用模式會長期存在下去。另外，計算機(jī)專業(yè)人士會愈來愈多地介入嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，但囿于對象專業(yè)知識的隔閡，其應(yīng)用領(lǐng)域會集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體、商務(wù)電子等方面，不可能替代原來電子工程師在控制、儀器儀表、機(jī)械電子等方面的嵌入式應(yīng)用。因此，客觀存在的兩種應(yīng)用模式會長期并存下去，在不同的領(lǐng)域中相互補充。電子系統(tǒng)設(shè)計模式應(yīng)從計算機(jī)應(yīng)用設(shè)計模式中，學(xué)習(xí)計算機(jī)工程方法和嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)；計算機(jī)應(yīng)用設(shè)計模式應(yīng)從電子系統(tǒng)設(shè)計模式中，了解嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的電路系統(tǒng)特性、基本的外圍

18、電路設(shè)計方法和對象系統(tǒng)的基本要求等。由于嵌入式系統(tǒng)有過很長的一段單片機(jī)的獨立發(fā)展道路，大多是基于8位單片機(jī)，實現(xiàn)最底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設(shè)計模式特點。大多數(shù)從事單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)人員，都是對象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子系統(tǒng)工程師，加之單片機(jī)的出現(xiàn)，立即脫離了計算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，以“智能化”器件身份進(jìn)入電子系統(tǒng)領(lǐng)域，沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)”概念。因此，不少從事單片機(jī)應(yīng)用的人，不了解單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的關(guān)系，在談到“嵌入式系統(tǒng)”領(lǐng)域時，往往理解成計算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域的，基于32位嵌入式處理器，從事網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體等的應(yīng)用。這樣，“單片機(jī)”與“嵌入式系統(tǒng)”形成了嵌入式系統(tǒng)中常見的兩個獨立的名詞。但由于“單

19、片機(jī)”是典型的、獨立發(fā)展起來的嵌入式系統(tǒng)，從學(xué)科建設(shè)的角度出發(fā)，應(yīng)該把它統(tǒng)一成“嵌入式系統(tǒng)”?？紤]到原來單片機(jī)的電子系統(tǒng)底層應(yīng)用特點，可以把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用分成高端與低端，把原來的單片機(jī)應(yīng)用理解成嵌入式系統(tǒng)的低端應(yīng)用，含義為它的底層性以與與對象系統(tǒng)的緊耦合。1.3 ARM概述與其應(yīng)用領(lǐng)域1.3.1 ARM概述ARM(Advanced RISC Machines)是一類處理器,同時也是一個公司的名字.ARM公司于1990年11月在英國劍橋成立,它是全球領(lǐng)先的16/32位嵌入式RISC微處理器解決方案供應(yīng)商,向全球各大領(lǐng)先電子公司提供高性能.低成本和高效率的RISC處理器.外設(shè)和系統(tǒng)芯片技術(shù)授權(quán).A

20、RM公司設(shè)計先進(jìn)的數(shù)字產(chǎn)品核心應(yīng)用技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域涉與無線.網(wǎng)絡(luò).消費娛樂.影像.汽車電子.安全應(yīng)用與存儲裝置.ARM提供廣泛的產(chǎn)品,包括16/32位RISC微處理器.數(shù)據(jù)引擎.三維圖形處理器.數(shù)字單元庫.嵌入式存儲器.外設(shè).軟件.開發(fā)工具以與模擬和高速連接產(chǎn)品.ARM公司協(xié)同眾多技術(shù)合作伙伴為業(yè)界提供快速.穩(wěn)定的完整系統(tǒng)解決方案.1.3.2 ARM的應(yīng)用領(lǐng)域1 、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為 32 的 RISC 架構(gòu)，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展， ARM 微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的 8 位 /16 位微控制器提

21、出了挑戰(zhàn)。2 、無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過 85% 的無線通訊設(shè)備采用了 ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。3 、消費類電子產(chǎn)品： ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。4 、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM 技術(shù)。手機(jī)中的 32位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術(shù)。 1.4 我們的課題1.4.1整體研究方向綜合移動機(jī)器人開發(fā)的可行性，我們把課題的方向定位自主移動機(jī)器人小車的軟硬件研究。1.4.2機(jī)器人實現(xiàn)方法和實現(xiàn)過程以S3C44B0X實驗板為平臺，以與避障系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)兩部分結(jié)合起

22、來構(gòu)成整個移動機(jī)器人最主要的硬件部分。其中，實驗板為移動機(jī)器人的中樞神經(jīng)部分，它承擔(dān)著對于外部硬件的全權(quán)管理（包括接收外部硬件的傳遞過來的信息，對信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，以與把處理后的信息再傳遞給外部硬件）；避障系統(tǒng)為整個機(jī)器人系統(tǒng)的感應(yīng)部分，一切外界環(huán)境的識別都有避障系統(tǒng)來完成；運動控制系統(tǒng)為整個機(jī)器人系統(tǒng)的移動部分，它承擔(dān)著讓機(jī)器人能自由的在物理環(huán)境中移動的功能。1.4.3 實現(xiàn)過程以S3C44B0開發(fā)板構(gòu)建整個機(jī)器人的中樞神經(jīng)，主要是采用嵌入式操作系統(tǒng)來管理。這里具體工作主要包括將uClinux操作系統(tǒng)移植入ARM，以與在操作系統(tǒng)下編寫外部驅(qū)動程序來識別和控制外圍硬件（主要是避障系統(tǒng)和運動控

23、制系統(tǒng)）。避障系統(tǒng)設(shè)計：采用紅外線來實現(xiàn)避障（電路設(shè)計，調(diào)試）。運動控制系統(tǒng)設(shè)計：采用直流電機(jī)來實現(xiàn)機(jī)器人的移動功能(電路設(shè)計，調(diào)試)。軟件設(shè)計部分：主要是應(yīng)用程序配合外部硬件驅(qū)動程序。下文將詳細(xì)介紹軟件實現(xiàn)的具體方法和實現(xiàn)代碼。2 自主行走機(jī)器人的行走控制方案2.1 直流電機(jī)的控制方案一個電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器與電動機(jī)三個主要部分組成。電動小車的驅(qū)動不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動具有盡可能寬 的高效率區(qū)。我們所使用的電機(jī)一般為直

24、流電機(jī),主要用到永磁直流電機(jī)、伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)三種。直流電機(jī)的控制很簡單，性能出眾,直流電源也容易實現(xiàn)。這里主要介紹這種直流電機(jī)的驅(qū)動與控制。2.2 驅(qū)動電路2.2.1驅(qū)動芯片介紹L298是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片，直接采用，TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等電感性負(fù)載。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信

25、號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。其芯片原理結(jié)構(gòu)圖如下： 原理圖2.2.2 驅(qū)動電路直流電機(jī)驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。 它的基本原理圖如圖1所示:     全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反

26、轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。我們采用部集成有兩個橋式電路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它部的 橋式電路來驅(qū)動直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點。每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),控制比較簡單,電路也很簡單,一個芯片包含有8個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性,如圖所示IOB10、IOB11控制第一個電機(jī)的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個電機(jī)的速度;IOB12、IOB13控制第二個電機(jī)的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個電機(jī)的

27、速度。此部分是單純的硬件設(shè)計，沒涉與到軟件方面，但是實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)的功能時，我們軟件輸出必須通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)驅(qū)動。所以這個部分和軟件設(shè)計也是密不可分的一個環(huán)節(jié)。3 避障系統(tǒng)設(shè)計3.1 常用避障電路的實現(xiàn)方法 機(jī)器人小車避障電路設(shè)計常用的方法有兩類：一種是超聲波發(fā)射，接收傳感器；另一種是紅外線發(fā)射傳感器。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，但超聲波技術(shù)受干擾影響比較大。采用紅外線技術(shù)設(shè)計避障電路，主要優(yōu)點是廉價，而且，紅外線常用于遙控電路，技術(shù)比較常熟，電路電路設(shè)計也比較簡單，但是，它的避碰距離不是很遠(yuǎn)，一般最遠(yuǎn)也不會超過1m?？紤]到實驗室的條件以

28、與技術(shù)實用性，本項目主要采用的是紅外線技術(shù)設(shè)計避障電路。32 紅外線避障系統(tǒng)的實現(xiàn)3.2.1紅外線避障電路基本原理紅外線是一種波長在750mm至lmm之間的電磁波，對障礙物的衍射能力差，抗干擾性能強，此外紅外通訊有著成本低廉、連接方便、簡單易用和結(jié)構(gòu)緊湊的特點，所以得到廣泛的應(yīng)用，許多企業(yè)、學(xué)校都專門開設(shè)課程介紹紅外遙控的原理，但常缺乏演示裝置，使得學(xué)習(xí)過程中對其控制信號的傳輸流程不明了，授課效果差、本文設(shè)計一套以紅外線為控制指令信號載體的紅外發(fā)射、接收演示裝置，能完整演示紅外發(fā)射與接收信號，達(dá)到輔助教學(xué)的目的.采用紅外線技術(shù)設(shè)計避障電路方法一般有兩種11，一種是基于紅外線發(fā)射二級管和紅外線接

29、收二級管來設(shè)計；另外一種是基于紅外線發(fā)射二極管以與紅外線接收頭來設(shè)計，兩種方法的最大區(qū)別就在于接收電路，前者主要是要自行設(shè)計出紅外接收二極管的接收電路，而后者用到的紅外接收頭部就是一個接收電路，所以后者就比較簡潔，而且效果比前者要好的多。3.2.3紅外發(fā)射軟件中斷設(shè)計紅外線設(shè)置檢測到障礙后會向ARM的中斷寄存器發(fā)送一個高低電平的脈沖信號，我們軟件通過讀取這個電平脈沖來調(diào)用電機(jī)的轉(zhuǎn)彎程序，以實現(xiàn)小車的避障功能。軟件設(shè)計過程中，我把寄存器PCONG設(shè)置為控制寄存器，將PDATG設(shè)置成數(shù)字寄存器，通過改變PCONG的 高低電平來獲得PDATG的數(shù)值，如果是高電平，保持原來的轉(zhuǎn)速，即沒遇到障礙，如果是

30、低電平就調(diào)用電機(jī)轉(zhuǎn)彎的程序。程序?qū)崿F(xiàn)如下：#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>#include<linux/rtc.h>#include<linux/ioctl.h>#include <linux/errno.h>#include <linux/fs.h>#define PCONG(*(volatile unsigned *)0x01d20040) /定義地址#define PDATG(*(v

31、olatile unsigned *)0x01d20044) /定義地址int value2;typedef unsigned long U32;void delay(U32 time)while(time-);int start_motor(int r ,int l)int fd,i;U32 times1,times2; value0=r; value1=l;fd=open("/dev/motor_drv",O_RDWR); /打開電機(jī)驅(qū)動程序if(fd=-1)perror("open");exit(-1); write(fd,value,2*size

32、of(int);delay(10000);close(fd);return 0;int main()int i;PCONG &= 0xfffffff3;/*PG1->input*/while(1) if(PDATG & 0X00000002) /*HIGH LEVEL*/printf("紅外線沒檢測到障礙n")；else printf("紅外線檢測障礙n");/*call the motor driver*/start_motor(50,0); /*調(diào)用電機(jī)左轉(zhuǎn)程序*/ sleep(1); start_motor(50,50); r

33、eturn 0;這個方案是通過應(yīng)用程序直接讀取寄存器數(shù)據(jù)來實現(xiàn)中斷過程，實際上還可以通過系統(tǒng)的中斷控制來設(shè)置寄存器的值，然后再調(diào)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)想要的結(jié)果，第二個方案比較復(fù)雜，而且還涉與到系統(tǒng)的驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)過程中的中斷感應(yīng)可能存在問題，所以本次項目還是運用了應(yīng)用程序的實現(xiàn)。4 速度測量實時反饋4.1 方案總述S3C44B0X本身不具有外部脈沖計數(shù)功能,可利用可編程定時計數(shù)器82C54在S3C44B0X系統(tǒng)中實現(xiàn)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速.在機(jī)器人控制中，我們需要知道它的狀態(tài),這就需要測量.對于機(jī)器人行走常需要分時或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速與瞬時轉(zhuǎn)速為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外，還要保證測量的實時性，要求能測得瞬時

34、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速測量方法分為模擬式和數(shù)字式兩種，模擬式采用測速發(fā)電機(jī)為檢測元件，得到的信號是電壓量，而數(shù)字式通常采用光電編碼器、圓光柵、霍爾元件等為檢測元件，得到的信號是脈沖信號隨著微型計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，特別是高性能價格比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字法，智能化微電腦式代替了一般機(jī)械式或模擬量結(jié)構(gòu).4.2 方案選擇和實施4.2.1 選擇方案在我們的這個項目中選用霍爾集成元件作為傳感器，主要因為它本身不怕灰塵，適合露天場地，且體積小，價格便宜，可單電源供電，使用極其方便，因此本測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號檢測點采用霍爾集成傳感器作為轉(zhuǎn)速檢測探頭4.2.2 任務(wù)實施把探頭(霍爾元件)固定在距齒

35、輪外圓lmm的支架上3，在霍爾元件的正對面貼一小塊磁鋼(B>18000T，B為磁鋼強度要求)，當(dāng)測速齒輪的每個齒經(jīng)過探頭正前方時，改變了磁通密度，探頭就輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號檢測元件選用型號為CS3020開關(guān)集成霍爾傳感器此元件是OC門，因此在輸出端與電源之間要接一個電阻，4.2.3 計數(shù)模塊設(shè)計鑒于S3C44B0X本身不具有外部脈沖計數(shù)功能，需要在已有的硬件資源基礎(chǔ)上擴(kuò)展外圍電路。利用可編程定時計數(shù)器82C54是個很好的選擇。Intel 82C54是專用的可編程定時計數(shù)芯片15，82C54通過對加在其cLK 輸入引腳的脈沖進(jìn)行計數(shù)， 脈沖最高頻率可以達(dá)到10MHz， 使用靈活，功能強大

36、。采用82C54對系統(tǒng)外圍進(jìn)行硬件設(shè)計。S3C44B0X的數(shù)據(jù)線D0D7通過74LVCA245接82C54的數(shù)據(jù)線，74LVCA245的作用是實現(xiàn)了CPU 的33V 電壓和82C54的5V 電壓的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。片選可使用S3C44B0X的任意空余片選nGCSx，如果整個系統(tǒng)還有其他外圍電路需要較多片選，也可利用S3C44B0X的地址線接74HC138譯碼器擴(kuò)展出多路片選信號供系統(tǒng)其它資源使用。4.2.4軟件實現(xiàn) 應(yīng)用程序通過對82C54工作方式，通道和中斷信號等的設(shè)置，來讀取D0D7的八位數(shù)據(jù),下面是實現(xiàn)的部分代碼：Speed.c#include <linux/init.h>#incl

37、ude <asm/segment.h> #include <linux/mm.h>#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/types.h>#include <linux/slab.h>#include <asm/uaccess.h>#include <asm/system.h>#include <linux/errno.h>#include &

38、lt;linux/config.h>#define rPCONA(*(volatile unsigned *)0x1d20000)#define rPDATA(*(volatile unsigned *)0x1d20004)#define rPCONC(*(volatile unsigned *)0x1d20010)#define rPDATC(*(volatile unsigned *)0x1d20014)#define rPUPC(*(volatile unsigned *)0x1d20018)/* interrupt */#define rINTCON(*(volatile uns

39、igned *)0x01e00000) #define rINTPND(*(volatile unsigned *)0x01e00004) #define rINTMOD(*(volatile unsigned *)0x01e00008) #define rINTMSK(*(volatile unsigned *)0x01e0000c)#define rI_ISPC(*(volatile unsigned *)0x01e00024)#define rI_PSLV(*(volatile unsigned *)0x01e00010)#define rI_PMST(*(volatile unsign

40、ed *)0x01e00014)#define rPCONG(*(volatile unsigned *)0x01d20040) #define rPUPG(*(volatile unsigned *)0x01d20048) #define rEXTINT(*(volatile unsigned *)0x01d20050) #define rPDATG(*(volatile unsigned *)0x01d20044) /*#define BaseAddr (*(volatile unsigned *)0xa000000)/* 8253 control word */#define 8253_

41、COM(*(volatile unsigned *)0xa00000e)/* Write counter 0 */#define 8253PA_W(*(volatile unsigned *)0xa000008)/* Write counter 1 */#define 8253PB_W(*(volatile unsigned *)0xa00000a)/* Write counter 2 */#define 8253PC_W(*(volatile unsigned *)0xa00000c)/* Read counter 0 */#define 8253PA_R(*(volatile unsign

42、ed *)0xa000000)/* Read counter 1 */#define 8253PB_R(*(volatile unsigned *)0xa000002)/* Read counter 2 */#define 8253PC_R(*(volatile unsigned *)0xa000004)int main(int argc ,char *argv)rPCONA = 0x3ff;/*set port_A function 2(address bus)*/rPCONC = 0xaaaaaaaa;/*set port_C function 2(data bus)*/8253_COM

43、= 0x30;/*select Counter 0 , Mode 0 , Binary counter*/8253PA_W = 0xfe;/*write low-eight bit*/8253PA_W = 0xff;/*write high-eight bit*/8253_COM = 0x70;/*select Counter 1 , Mode 0 , Binary counter*/8253PB_W = 0xfe;/*write low-eight bit*/8253PB_W = 0xff;/*write high-eight bit*/rINTCON = 0x0;rINTMOD = 0x0

44、;rINTMSK = 0x0;int i=1000000;unsigned short j;unsigned char data;while(i-);8253_COM = 0x00;data = 8253PA_R;j = 8253PA_R;j = (j<<8 | data);printf("j= %dn",j); return 0;這個部分的實現(xiàn)其實也可以通過應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序來實現(xiàn)，但只是為了實現(xiàn)功能的話，我這個應(yīng)用程序已經(jīng)可以實現(xiàn)了，而驅(qū)動程序的編寫又涉與到核的調(diào)用，所以為了保險，我們還是選者了應(yīng)用程序。5 ARM開發(fā)平臺與uClinu操作系統(tǒng)的設(shè)計

45、5.1 ARM開發(fā)平臺介紹ARM系列是一種32位的嵌入式RISC處理器它具有低電壓、低功耗和低集成度等特點，并具有開放性和可擴(kuò)性，已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器架構(gòu)S3C44B0是三星公司推出的一款為手持設(shè)備或其他通用設(shè)備而開發(fā)的1632位處理器，它基于ARM7TDMI核，沒有存管理單元(MMU)uClinux是專門應(yīng)用于無MMU微處理器的Linux衍生操作系統(tǒng)具有支持多任務(wù)、核精簡、高效、穩(wěn)定等優(yōu)點移植基本容是：獲取某一版本的Linux核源碼，根據(jù)目標(biāo)平臺對源碼中與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)部分進(jìn)行修改，然后添加一些外設(shè)驅(qū)動，對該系統(tǒng)進(jìn)行針對目標(biāo)平臺的交叉編譯，生成一個核映像文件，最后把該映像文件燒寫到目

46、標(biāo)平臺中本目標(biāo)平臺-2 采用S3C44B0 作為處理器；采用2MB(0x0000000xlfffff)線性FLASH作為引導(dǎo)代碼、uClinux鏡像文件和ROMFS文件系統(tǒng)的存儲器；采用8MB(0xc0000000xc7fffff)SDRAM作為引導(dǎo)代碼、Linux映像文件和應(yīng)用程序的可讀寫存儲器.5.1.1 基本設(shè)置首先，要了解一下如何通過串口終端與ARM板進(jìn)行通信，將隨板配帶的串口線（DB9 為雙母，直連）一端接FS44B0X 開發(fā)板的COM1，串口線的另一端接電腦的COM1（或COM2），接好后，在PC機(jī)上打開一個超級終端。在linux下，打開gnome終端，在命令行里輸入minicom

47、 s,見圖5.2所示。然后對串口終端進(jìn)行一下配置。選中Serial port setup，看到圖5.3所示，按照要求配置串口功能屬性。保存退出。鍵入minicom，給ARM開發(fā)板上電，看到圖5.4所示，在命令行模式下鍵入ap，設(shè)置。這樣linux的串口終端便建立起來了（這樣，在linux操作系統(tǒng)下，uclinux核鏡像image.rom可以直接通過該串口燒寫入ARM目標(biāo)板）。圖5.1 linux終端下的串口初始化圖5.2 linux下串口基本屬性設(shè)置圖5.3 串口顯示ARM板基本信息圖5.3 串口顯示bios基本命令ap信息網(wǎng)線：將交叉網(wǎng)線一頭接ARM板，另一頭接PC機(jī)網(wǎng)口，開發(fā)板的IP 地址

48、192.168.77.66，所以，請將PC機(jī)的IP地址設(shè)為192.168.0.X，我把PC機(jī)的IP地址設(shè)為192.168.77.77，子網(wǎng)掩碼設(shè)置為255.255.0.0接下來，要注意，打開串口終端，在讓ARM板上電，在終端命令行模式/>下，鍵入命令ap，可以在PC機(jī)的Run里輸入ping 192.168.77.66 t試試能不能ping通目標(biāo)ARM板。5.1.2 交叉環(huán)境的建立交叉編譯是利用運行在某機(jī)器上的編譯器編譯某個源程序生成在另一臺機(jī)器上運行的目標(biāo)代碼的過程 開發(fā)工具主要有IDE集成開發(fā)環(huán)境和Makefile方式，前者如Windows中的Linux View和CodeWarrio

49、r等，有良好的用戶界面，并且易于管理和控制項目的開發(fā)后者如Linux Kernel的開發(fā)，支持腳本的功能非常強大通常應(yīng)用程序的開發(fā)使用集成開發(fā)環(huán)境，核的編譯使用Makefile方式建立編譯核的交叉編譯環(huán)境主要用到的開發(fā)工具包括3部分：binutils、gcc、glibe其中，binutils是二進(jìn)制文件的處理工具；gcc是編譯工具；glibe是和運行庫若網(wǎng)上下載的是源代碼包，需要經(jīng)過GCC的編譯才能應(yīng)用；若是應(yīng)用程序包，安裝后即可使用為了快速建立交叉環(huán)境，可以從網(wǎng)上直接下載 arm-elf-binutils-2.11-3.i386.rpmarm-elf-gcc-2.95.3-2.i386.rp

50、marm-elf-gdb-5.0-1.i386.rpmgrnromfs-0.5.1-1.i386.rpmarm-elf-tools-20030314.sh文件在Linux下運行rpm ivh *.rpm命令，安裝gcc、binutils等交叉編澤工具，在Linux下運行./arm-elf-tools-20030314.sh命令，在開發(fā)主機(jī)上便會自動建立一個uClinuxARM的交叉編譯環(huán)境5.2 uClinux核編譯ARM上的uclinux操作系統(tǒng)是出廠前就被開發(fā)人員燒入的14，很多功能都不具備，編譯uclinux核的目的，不僅僅在于學(xué)習(xí)怎樣編譯核，還在于通過配置來完善uclinux操作系統(tǒng)5

51、.2.1 uClinux核結(jié)構(gòu)在解壓后核下的文件目錄如下: /bin存入用戶最常有的基本程序 /config存入uclinux的結(jié)構(gòu)文件 /Document存入uclinux的HowTo文檔和FAQ文檔 /images用于存放編譯后生成的文件 /lib存放各類庫 /linux-2.0存放linux-2.0版本的核文件 /linux-2.4存放linux-2.4版本的核文件/linux-2.6存放linux-2.6版本的核文件/romfs為編譯后文件系統(tǒng)/tools存放工具說明文檔和其他文檔/ulibc存放uclinux的庫文件/user存放用戶的應(yīng)用程序/venders存放有關(guān)各種處理器文件/

52、etc用來存放系統(tǒng)管理所需要的配置文與子目錄5.2.2 uClinux核編譯第一步，把核源碼包uClinux-44b0.tar.gz以與ARM交叉編譯工具arm-elf-tools-20030314.sh下載到一個目錄下（我這里選擇/home）。第二步，進(jìn)入linux下/home目錄，運行 ./arm-elf-tools-20030314.sh此步主要是建立交叉編譯環(huán)境。第三步,解壓uClinux源碼包，用命令tar -zxvf uClinux-44b0.tar.gz 它會在當(dāng)前目錄釋放uClinuxdist文件夾。第四步.在gnome終端下，進(jìn)入cd /home/uClinux-dist目錄

53、，鍵入命令Make xconfig ，看到圖5.4所示： 圖5.4 uclinux配置窗口 在圖5.4所示界面上單擊 Target Platform Selection 進(jìn)入目標(biāo)平臺選擇界面，如圖5.5所示：圖5.5 基本平臺選擇界面進(jìn)入如圖5.6所示界面之后，選擇samsung/4510B作為模擬硬件開發(fā)平臺，選擇uClibc，是核套用該標(biāo)準(zhǔn)c庫。接著就可以選中以下幾項來配置核，用戶應(yīng)用程序以與升級現(xiàn)有的應(yīng)用程序。在保存完剛才的配置之后，會進(jìn)入以下操作界面，如圖5.6所示：圖5.6 應(yīng)用程序配置向?qū)г谠摬僮鹘缑嫔?，可以來進(jìn)一步對應(yīng)用程序進(jìn)行配置，從而獲得最理想的uclinux核。若用戶自己創(chuàng)

54、建了一個應(yīng)用程序，可以選中My Application，進(jìn)入如圖5.7所示界面：圖5.7 添加自己的應(yīng)用程序配置向?qū)н@個界面說明，已經(jīng)成功選中了自己設(shè)計的應(yīng)用程序，接下去，就是對配置好的新核進(jìn)行編譯，如下：make dep 編譯相關(guān)的配置文件 make lib_only 編譯生成library make user_only編譯生成用戶空間應(yīng)用程序，每次修改應(yīng)用程序后，以后幾步必須重來 make romfs 編譯生成uclinux系統(tǒng)的具體系統(tǒng)架構(gòu)（目錄，文件） make image 生成romfs.image image.rom image.rom這一步你會遇到一些錯誤信息，不過可以忽略，它只

55、會出現(xiàn)一次（在第一次編譯時發(fā)生），以后就正確了。make 執(zhí)行編譯最后，在image目錄中產(chǎn)生了romfs.img,uclinux_ram.bin.gz和uclinux_rom.bin,它們分別:romfs.img-root根文件系統(tǒng)ROMFS映像文件uclinux_ram.bin.gz-下載到開發(fā)平臺RAM區(qū)執(zhí)行文件uclinux_rom.bin-燒制到開發(fā)平臺Flash區(qū)的文件5.2.3為S3C44B0X添加自己的應(yīng)用程序step 1: 首先認(rèn)真閱讀uClinux-dist的目錄的Documentation/Adding-User-Apps-HOWTO.txt ，通過閱讀該文檔可以自己動手創(chuàng)建一個application。step 2: 創(chuàng)建一個自己的application后,在Linux操作系統(tǒng)(Fedora等)上先編譯,通過執(zhí)行arm-elf-gcc c 應(yīng)用程序名來驗證是否有錯誤。但是這個在PC上可以運行的"可執(zhí)行文件"卻還不是基于ARM環(huán)境的"可執(zhí)行程序/文件",因為PC平臺使用的文件系統(tǒng)和ARM板的uClinux使用的文件系統(tǒng)不一樣,uClinux的ROMFS格式的可執(zhí)行文件是不能被PC上的Linux(Fedora等)所認(rèn)識的。比如一個簡單的應(yīng)用程序文件hello.c，以下是它的容：#include