（控制科学与工程专业论文）嵌入式遥操作移动机器人系统设计.pdf

摘要 基于网络的遥操作机器人将网络技术和机器人技术融合起来，通过计算机网 络的发展来扩展机器人控制系统的多样性，使机器人的控制系统可以与网络互联 的其他智能设备进行交互、协作，从而使信息、数据的获取将越来越多地享受网 络资源，利用网络，成为网络的一员。这就使机器人控制突破距离的限制，真 正实现跨区域、跨空间的远程控制，网络也可以借助机器人技术来扩展它的外在 延展性。 目前基于网络的遥操作机器人大部分处于科研阶段，在网络控制方面进行了 大量的研究，而对系统的设计、硬件方面讨论较少。基于这一点，从系统设计的 角度出发，针对目前遥操作机器人体积大、功耗高、结构封闭的特点，将嵌入式 l i n u x 和计算机网络技术应用于移动机器人系统中，设计一种体积小、功耗低的 嵌入式遥操作移动机器人系统将具有重要的实际意义。 首先介绍遥操作移动机器人的总体结构和功能，通过分析移动机器人的驱动 装置，建立了双轮差分驱动的数学模型；接着在硬件上建立了一种开放式的系统 结构，它由微控制器、视觉、测距、无线通讯、运动控制、电源等模块组成，并 对每个模块的电路进行了分析和设计；在软件上采用了一种层次化的软件结构， 包括传感器数据采集层、操作系统层、设备驱动层、应用软件层，并对各个层次 的软件进行了分析和设计，其中重点讨论了应用层软件设计；然后，在搭建的嵌 入式遥操作移动机器人平台下进行基于多传感器信息融合的路径规划研究，在路 径规划设计中，建立了多传感器信息融合决策模型，通过确立超声波传感器的模 糊避障决策模型，并设计了一种基于单目视觉识别采用转换至整形h s v ( h u e 、 s a t u r a t i o n 、v a l u e ) 颜色空间分析和行扫描标记聚类算法来识别目标物体的方法。 整个系统具有体积小、功耗低、可裁剪定制、结构开放等优点。最后，对该 遥操作机器人系统进行了系统功耗、图像处理方法可行性、路径规划方面进行了 具体实验，实验结果表明了该遥操作机器人系统的可行性和稳定性。 关键词： 遥操作机器人，嵌入式l i n u x ，目标识别，路径规划 a b s t r a c t t e l e r o b o t i c sb a s e do nn e t w o r ki sb e i n gam e m b e ro fn e t w o r kw h i c hi n t e g r a t e d t h en e t w o r kt e c h n o l o g ya n dr o b o tt e c h n o l o g y , t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r n e t w o r k st oe x p a n dt h ed i v e r s i t yo fr o b o tc o n t r o ls y s t e ms ot h a tt h er o b o t sc o n t r o l s y s t e mc a nb ec o n n e c t e dw i t ho t h e rs m a r td e v i c e sf o ri n t e r a c t i v e ，c o l l a b o r a t i v e ，a n d i n f o r m a t i o n ，d a t aa c c e s sw i l lb em o r ea n dm o r ec o m ef r o mt h en e t w o r kr e s o u r c e s a s ar e s u l t ，t e l e r o b o t i c sc o n t r o lb r e a k t h r o u g hf r o mt h er e s t r i c t i o n s ，r e a li n t e r - r e g i o n a l a n di n t e r - s p a c er e m o t ec o n t r o l ，a n dt h en e t w o r kc a na l s ou s er o b o tt e c h n o l o g yt o e x p a n di t se x t e r n a ls c a l a b i l i t y n o w a d a y s ，t e l e r o b o t i c sb a s e do nn e t w o r kb ei nr e s e a r c hs t a g ea tt h em o s t t h e r e s e a r c hm a i n l yf o c u s e do nn e t w o r kc o n t r o lb u tl e s si nt h em e t h o do fs y s t e md e s i g n t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so b s e r v e di nt h ep r e v a l e n tt e l e r o b o t i c ss y s t e m s ，s u c h a sb u l k y , h i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dc l o s e da r c h i t e c t u r e s ，i ti sm e a n i n g f u lt h a t i n t r o d u c e san o v e ld e s i g no fe m b e d d e dt e l e r o b o t i c ss y s t e mu s i n gt h et e c h n i q u e i n t e g r a t i n ge m b e d d e dl i n u xa n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , w h i c hm a k et h e s y s t e mb em o r ec o m p a c ta n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n t h ew h o l ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o ni sf i r s t l yi n t r o d u c e d ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h e d r i v e rd e v i c e so fm o b i l er o b o t ，ad i f f e r e n c ew h e e ld r i v e rm o d e li se s t a b l i s h e d a sa n o p e n a r c h i t e c t u r e ，t h eh a r d w a r ec o n s i s t so fm i c r o c o n t r o l l e r , v i s i o n ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，m o t i o nc o n t r o la n dp o w e r , f o rt h i sh a r d w a r em o d e l ，an a r r a t i v e s t a r t e df o r mc i r c u i tp e r s p e c t i v e m e a n w h i l et h es o f t w a r ei sd e v e l o p e da sa h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，i n c l u d i n gf o u rl a y e r so fd a t aa c q u i s i t i o n ，o p e r a t i n gs y s t e m ， d e v i c ed r i v e ra n da p p l i c a t i o n ，f o rt h ep a r t so fs o f t w a r e ，am e a t h o do fd e s i g ni s s u p p l i e dw h i c hm a i n l yd e s c r i b e di na p p l i c a t i o ns o f t w a r e b a s e do nt h i se m b e d d e d t e l e r o b o t i c ss y s t e m ，t h ep a t hp l a n n i n gr e s e a r c ho nm u t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ni s d e m o n s t r a t e d ，f o rt h ep a t hp l a n n i n g ，t h r o u g hd e s i g n i n gt h ef u z z yd e c i s i o n m a k i n g m o d e lb a s e do nu l t r a s o n i co b s t a c l ea v i o d e n c ea n da d o p t i n gt h em e a t h o do fi n t e r g e r h s vc o l o rs p c a c ec o n v e r s i o na n daf a s ts c a nr o wl a b e l i n gc l u s t e r i n ga l g o r i t h mb a s e d o ns i n g l ev i s i o n ，av a l i dm e t h o do fo b j e c to r g a n i z a t i o na p p l y i n gi np a t hp l a n n i n gi s d e s i g n e d a st h er e s u l t ，t h ew h o l es y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc o m p a c th a r d w a r e ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，c u s t o m i z a t i o na n do p e na r c h i t e c t u r e f i n a l l y , s o m es p e c i f i c e x p e r i m e n t ss u c ha ss y s t e mp o w e r 、t h ef e a s i b i l i t yo fi m a g ep r o c e s sa n dp a t h p l a n n i n g h a v ew o r k e da n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h et e l e r o b o t i c ss y s t e mi nt h ee n d k e y w o r d s ：t e l e r o b o t i c s ，e m b e d d e dl i n u x ，o b j e c tr e c o g n i z i t i o n ，p a t hp l a n n i n g i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另j j , d n 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：竺翌年旦月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名祧日期：逊年鱼月半日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 随着计算机网络和机器人技术的发展，网络与机器人结合在一起，为控制系 统提出了一个新的思路。建立基于计算机网络的机器人遥操作平台，不仅可以使 操作人员离开具有危险性的操作环境，避免造成人身伤害，同时还可顺应机器人 所面临的日益复杂的应用环境，如空间探索、水下作业、活火山探测等极限工作。 并且随着科技的日新月异，其与计算机技术、通讯技术、控制技术、智能技术的 相结合，使它在服务业、远程医疗、家庭自动化、军事和星际探索等领域都有极 大的应用价值。它突破了各种设备在不同空间不能协调工作的障碍，真正体现了 跨空间性，对科学技术的发展有着重要意义。 目前，遥操作机器人的研究已经成为一个热点课题，它在远程制造业、军事、 远程医疗、远程培训等领域有着广泛的应用前景。国外已有应用实例，如加拿大 的远程医疗系统等，国内也成立了针对遥操作机器人的研究机构。最近，在家用 机器人和娱乐机器人领域也异常火热。 遥操作机器人应用前景光明，但目前的网络遥操作机器人大部分处于科研阶 段，应用到实际中的很少，控制器大多采用工控机和p c 机、笔记本等来设计， 存在耗电量大、体积大、控制器集成度低等缺点，因此不适合移动机器人场合。 在机器人领域中，移动机器人是具有很大比例的。从我们日常生活中的电动小车 到遨游外星球的火星车，都是移动机器人应用的鲜活体现。 因此，从实际应用出发，设计一种功能强大、体积小、耗电低、适合野外作 业的移动式遥操作机器人系统，并将该系统应用到需要的上述领域中发挥作用是 具有重大的研究意义的。 1 2 国内外研究现状 网络遥操作机器人是把网络技术和机器人技术融合起来，从系统的角度来进 行研究开发。通过计算机网络的发展来扩展机器人控制系统的多样性，使机器人 的控制系统可以与网络互联的其他智能设备进行交互、协作，从而使信息、数据 的获取将越来越多地享受网络资源，利用网络，成为网络的一员。这就使机器 人控制突破距离的限制，真正实现跨区域、跨空间的远程控制，网络也可以借助 机器人技术来扩展它的外在延展性。 网络遥操作机器人的思想是由美国南加州大学k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年首先 中南大学硕士学位论文第一章绪论 提出来的【1 捌。其最初的构想是给公众提供可通过i n t e m e t 访问的遥控机器人【3 4 】， 让多个用户对其进行远程操作，操作者通过w e b 浏览器登录到加州大学的 m e r c u r yp r o j e c t 主页【5 】，使用鼠标与键盘控制一台s c a r a 机器人在半圆形的沙堆 中进行物品挖掘。英国b r a d f o r d 大学工业技术系于1 9 9 6 年研制了可以通过 i n t e r n e t 进行控制的天文望远镜，用户可以在线控制望远镜的角度和焦距，并将观 测结果通过e m a i l 发送给用户，美国w i l k e s 大学m r s t e i n 也成功实现了将一 台用于画图的p u m a 7 6 0 机器人与i n t e r n e t 连接，使用户可以在线画刚6 ，7 1 。 基于i n t e r n e t 网络控制的机器人形式越来越多 8 q 3 】，其中移动机器人也是研 究的热点之一【1 4 】。卡耐基一梅隆大学的计算机学院最先在1 9 9 8 年，以机器人x a v i e r 为平台，实现了以网页的形式对x a v i e r 进行实时控制。x a v i e r 可以按照指令在 室内移动，完成文件传送的任务【1 5 】。随后越来越多的研究机构把目光聚集到网络 遥操作机器人的研究上，比如瑞士联邦理工学院于2 0 0 0 年也实现通过网络控制 移动机器人，并且这个机器人还加装了摄像头，控制者能通过控制端的网页监控 到机器人所处的环境【1 6 】。l u o 和c h e n 集成本地智能化自主导航远程通讯开发出 的移动机器人，用户可以通过互联网对其进行远程导航控制i r 7 1 。b u r g a r d 等1 1 即 设计的博物馆导游机器人可以在互联网上引导用户参观博物馆。 相对于国外对网络遥操作机器人做的大量研究工作，国内对基于i n t e m e t 的 机器人控制方面的研究起步较晚，但进步是非常快的，成果也在迅速扩大【l 踞们。 近几年，我国8 6 3 高科技发展计划和国家自然基金会重点资助了与网络机器人方 面有关的项卧2 1 1 ，并且已取得了相关的研究成果，我国如中科院沈阳自动化研究 所机器人实验室、哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学等国内高校和科学院所 都已开展了基于i n t e m e t 的远程控制机器人系统的研刭2 2 1 ，例如哈尔滨工业大学 2 0 0 0 年完成了一项通过网络遥控指挥机器人工作的国家8 6 3 计划项目。复旦大 学在2 0 0 1 就对基于网络的远程机器人控制系统的进行研究【2 3 1 ，确定了一种基于 w e b 的远程机器人控制系统。这些研究当中有相当一部分是属于对机器人手臂进 行遥控的研究【2 4 2 5 1 。对于遥操作移动机器人领域研究也进展迅速。2 0 0 3 年天津 大学研究了一种通过i n t e r n e t 远程控制的移动机器人体系结构1 2 酬。2 0 0 4 年南京航 空航天大学以p 3 d x 研究平台构建了基于无线局域网的遥控机器人体系【27 1 。随 着研究的深入，通过i n t e m e t 移动机器人控制技术在不断发展。其中有结合通信 网络接入i n t e r n e t 体系结构，比如2 0 0 6 年国防科学技术大学采用无线c d m al x 网将一台履带式机器人连入i n t e r n e t ，并通过在一台联入i n t e m e t 的p c 对机器人 进行遥控。该机器人采用工控机作为控制器【2 8 ，2 9 1 。但是，在我国目前还没有出现 为大众开放的基于i n t e r n e t 的远程控制机器人控制站点和运用实例。 现今国内基于网络的遥操作机器人基本处于科研阶段，主要研究领域放在数 2 中南火学硕士学位论文第一章绪论 据的网络传输、技术的可实现性上，对于硬件实物的实现、整体的结构的设计讨 论很少，总结目前可移动的车载网络遥操作机器人，从硬件实现、整体结构设计 来看，可以将其分成机器人控制器的设计( 包括硬件和软件的设计) ，远程控制平 台的设计两部分。 控制器目前普遍采用p c 机和体积小的笔记本，采用p c 机做控制器有很多 优点，如p c 机性能强大，网络功能全面，能够满足遥操作机器人对网络方面的 要求，但用它做控制器也有以下缺点： ( 1 ) 电源要求高，耗电量大，不适合户外作业的移动机器人场合； ( 2 ) 体积庞大，不适合对个体体积敏感，要求在狭小空间作业的场合； ( 3 ) 系统实时性差，由于w i n d o w s 这样的桌面系统都是非实时的操作系统， 难以满足实时性要求很高的场合； ( 4 ) 采用封闭式结构，系统开放性差，硬件软件不能裁剪定制： ( 5 ) 不是专用的机器人控制器，许多功能冗余，并不需要。 针对以上缺点，本课题把嵌入式系统运用到机器人控制器上来，嵌入式系统 是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入 式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组 成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个 特点： ( 1 ) 对实时多任务的处理有很强的支持能力，支持嵌入操作系统，能完成多 任务同时具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减 少到最低限度。 ( 2 ) 体积小巧，能满足目标对空间敏感的场合。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，能迅速地开发出满足应用的高性能的嵌入式微处 理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至g w 级。 由上可知，嵌入式系统的集中度高，很多功能都能做在一块微小的芯片上， 体积小、功耗低，但功能强大。还有一个最大的特点是能够嵌入操作系统，这样 就能实现多任务的处理，完成很复杂的任务。这使得将嵌入式系统运用到网络遥 操作机器人中非常合适，用它开发出专用的机器人控制器，体积非常小巧却能够 实现所需要的功能，并且集中了一些外围电路模块和常用的驱动电路，耗电量极 小，弥补了用p c 机做控制器的一些缺点。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 远程控制平台位于远程的计算机上，目前大多采用v c n e t 、j a v a 来编写，采 用v e n e t 来编写控制平台程序有反应速度快的特点，但存在移植性差、不能跨 平台的特点，而采用j a v a 可以弥补这些缺点，还可以增强控制平台的移动性，甚 至在移动的智能手机上就可以实现对机器人的远程控制，但反应速度比前者慢。 本课题运用嵌入式系统开发网络遥操作机器人的控制器，用j a v a 来实现远程控 制平台，无疑给网络遥操作机器人提供了一种更为先进和合理的实现方案。 1 3 论文主要内容及构成 本文将嵌入式技术应用于遥操作机器人系统中，首先以目前最流行的a r m 体系结构的嵌入式处理器作为微控制器，配上感知、通讯、运动控制、电源等硬 件模块，构成一种开放式结构的遥操作机器人系统；然后将软件部分分为数据采 集层、操作系统层、设备驱动层、应用软件层，提出了一种层次化的系统软件体 系结构；接着设计了基于多传感器信息融合下机器人的路进规划；最后通过实验 证明该遥操作移动机器人系统的可行性和稳定性，并对设计的遥操作移动机器人 进行了总结。 本文后续各章节内容安排如下： 第二章介绍嵌入式遥操作移动机器人的总体结构，并从总体功能上描述了该 遥操作移动机器人的设计目标。 第三章首先介绍了嵌入式遥操作移动机器人的硬件体系结构和硬件模块，接 着从硬件出发，将遥操作机器人分为微处理器模块、超声波测距模块、视频采集 模块、无线局域网模块、运动控制模块、电源模块等六个功能模块，并分析各模 块的基本原理和电路设计。 第四章首先介绍嵌入式遥操作移动机器人的软件体系结构，将软件设计分为 传感器数据采集层、操作系统层、设备驱动层、应用软件层四个层次，接着从这 四个层次介绍了机器人软件的设计过程。 第五章基于单目视觉的目标识别和多组超声波传感器的模糊避障的信息融 合，对遥操作移动机器人的路径规划进行了设计。 第六章从实验的角度对遥操作移动机器人进行了部分实验，证明其可行性和 稳定性，最后对全文做出总结和展望。 4 | l 南人学硕+ 学位论文第二章嵌入式透操作移动机器人总体i 殳计 第二章嵌入式遥操作移动机器人总体设计 2 1 系统总体结构 图2 1 是系统实物图，大体上i i j 分为移动机器人乍体部分和远程访问端 | ：分， 远程访问端分为内网川户和外网用户，内m 用j 、- 足处在同一个网段的局域网用 j ，外网用户是不处在刚一- 网段的广域网用户。计算机和智能手机通过无线网卡 联入局域网。移动机器人和远程访1 u 】端采用c s 网络通讯模式进行设计。 f 7 一、【川p 图2 1 系统实物图 在图2 1 中，移动机器人通过无线以太网交换机接入局域例，局域m 内的用 j 、通过w e b 访问移动机器人。当该局域网接入了i n t e r n e t ，则互联网用户可以通 过i n t e r n e t 访i u j 该移动机器人。同一时刻只能允许个用户对移动机器人进 j ：控 制，只有当i i 用j 、释放刘。机器人的控制后，= ! j _ 一川j 才能臀录进行控制。 图2 2 是系统整体结构示意图，摄像头采用体积小巧的c m o s 摄像头，镜 头固定在移动机器人的前方，用来采集机器人阿办的视频信息。l 沃入式主机山于 要对多任务、网络数据、视频采集进行处理，采川嵌入操作系统的方式来实现强 大的软件功能。其月：体硬件结构将在第j 带阐述。远程监控，3 向1 1 | t f 蔚 p 运 j ：远程榨制f 台并登录机器人才能对机器人进行控制访 l j ，考虑访问的便利作，远程控制平台 采用跨甲台的j a v aa p p l e t 实现，这样，在拥有j a v a 虚拟机的p d a 或手机 ：也能 对移动机器人进 j ：访问。 一国 磬。 爹 中南人学硕- i - ：j 浮化论文 第：。i “1 1 ： 嵌入武遥操作移动机器人总体暧i f 尤线以人叫交换机 l： 监 窄 计 算 机 图2 2 系统整体结构示意图 整个移动机器人结构可以分为传感器部分、运动控制部分、嵌入式生机二大 部分。其中传感器部分包括- 二组超声波传感器、摄像头传感器等，它士要负责获 取周l 4 环境的信息，并将铁得的信息发送给嵌入武 i 机处理：运动控制部分i ：要 是对决策层发出的命令对电机进行控制，它决定了机器人的；f r 为动作：嵌入了l i 机负责对传感器信息进 丁处理，柱 扔：周环境信息和j j 户的控制命令结合进行决 策，从而给出相j 逦的运动控制命令作为运动控制部分的输入。 图2 2 巾移动机器人4 ：体底盘采用双电机组成的履带式差分驱动装置，这种 驱动装置采用双i 乜机控制，通过控制两个电机的转速实现转弯或“线行止，控制 起来年 j 对简单，l - 可口j 。i ij j ：采j j 履带= 【i = 结构，使机器人有定的爬坡能力。劁2 - 3 是该腔带式差分驱动底盘的实物图。 图2 3 履带式差分驱动实物图 该驱动装簧的减速比为l ：6 4 ，1 ： 1 采用高扣i 知i 力的i 乜机，因此有很强的牵 引力，爬坡角度不低_ j ：3 0 度，4 ；过它行止会比较慢，似x i f 于拥何自主性的遥操 作移动机器人场合，这种驱动裴臀楚：m 常适合的。 从i 纠2 3t i j l j 以看 i ，虽然该驱动姨簧是腹俯式外农，似j c 实它足舣i u f 【 中南大学硕士学位论文第二章嵌入式遥操作移动机器人总体设计 驱动组成，跟足球机器人用的双轮差分驱动模型是一样的。因此，对于它的运动 学模型可以用双轮差分运动模型来分析。 如图2 4 所示，用坐标( x ，”和小车纵轴与x 轴之间的夹角秒，来描述机器人 小车的位姿p 。 图2 - 4 机器人小车的位姿 机器人小车的位姿可以表示为： 尸= i x ，y ，目r 其中，( x ，y ) 为机器人的坐标，口为机器人的面向。 文献 3 0 】和【3 l 】对运动学方程的推导进行了详细的描述， 人小车的的运动学方程为： ( 2 - 1 ) 我们可以得出机器 学瀚 亿2 ， 其中，矿为小车质心的线速度，c o 为其角速度。 这样，就可以通过矿和彩两个量来控制机器人的位姿，也可以进一步转化为 对左右轮线速度圪和的控制。 2 2 系统总体功能及特点 系统具有以下功能及特点： ( 1 ) 远程访问者通过w e b 登录遥操作机器人系统，并下载机器人系统上的 j a v aa p p l e t 控制界面程序，对机器人进行监视和下达控制指令，控制方式分为直 接控制和监督控制： ( 2 ) 机器人为具有轮式结构的移动机器人，拥有速度检测装置； 7 中南大学硕士学位论文第二章嵌入式遥操作移动机器人总体设计 ( 3 ) 拥有视觉功能，能对标记的目标物体进行识别和目标跟踪； ( 4 ) 拥有多组超声波传感器，能对周围障碍物进行距离检测并实现避障功 能； ( 5 ) 通讯方式采用无线网络的方式，能传输机器人现场采集的视频数据至远 程访问端； ( 6 ) 机器人拥有一定的自主能力，能自动的完成指定的任务。 2 3 本章小结 本章介绍了本文设计的遥操作移动机器人整体结构，结合实物图片叙述了它 的机器人内部结构基本可分为传感器部分、运动控制部分、嵌入式主机三部分， 并描述了驱动装置的双轮差分驱动的运动学模型；接着介绍了该设计完成的遥操 作移动机器人的功能以及特点。 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 第三章系统硬件体系结构与模块电路设计 3 1 硬件体系结构 系统硬件设计主要是移动机器人控制器的设计。远程访问端不需要进行任何 硬件的设计，也不需要安装控制平台软件，只需要通过w e b 下载遥操作机器人 系统中的控制平台软件运行即可。 图3 1 为嵌入式遥操作机器人硬件体系框图。 图3 - 1 硬件体系框图 从图3 1 可以看出，该遥操作机器人硬件可以细分为微处理器模块、运动控 制模块、测距模块、视觉模块、无线网络接口模块、电源模块六个部分。下面分 别从这六个模块的设计来叙述。 3 2 微处理器模块 微处理器模块相当于机器人的“大脑 ，负责视频的采集与处理、多传感器 信息获取和融合、网络数据的传输、运动控制与行为决策等，是整个机器人的控 9 中南大学硕士学位论文 第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 制中心。 3 2 1 微处理器选型及介绍 ( 1 ) 微处理器选型 由于本文设计的遥操作机器人系统要完成一些复杂的任务，不但对多任务的 并行处理、网络的支持、运算速度等方面要求比较高，而且对系统的体积和功耗 也要求非常严格，采用常用的8 位或1 6 位单片机作为微控制器无论从运算速度 还是功能上都难以满足要求，所以选择一种合适的微处理器对整个系统的影响至 关重要。下面表3 1 给出了几种主流微控制器参数比较。 表3 - 1 几种主流微控制器参数比较 从各个型号参数对比来看，$ 3 c 2 4 1 0 的性能比其它处理器都要超出很多，对 于多任务的并行处理，应选用具有内存管理单元( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) 功能的芯片，因为它可以嵌入高级的操作系统来实现，而高级的操作系统对网络 和网络协议t c p i p 等都支持较好，运算速度上处理器频率不应该太低，对于电 机驱动来讲，应该具有p w m 功能的硬件结构等等。 综合要实现的功能，本文选用a r m 体系结构的$ 3 c 2 4 1 0 作为微控制器，它 采用了a r m9 2 0 t 核，由a r m9 t d i 、内存管理单元和高速缓存三部分组成。并 且拥有极低的耗电量和非常小的体积，主频为2 0 0 m h z ，集成了丰富的外围接口 1 0 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 控制器。嵌入l i n u x 操作系统后，能实现多任务并行处理，文件管理、网络方面 等应用，非常适合遥操作移动机器人场合。 ( 2 ) 微处理器介绍 s 3 c 2 4 1 0 属于a r m 3 3 】体系中a r m 9 系列，这系列是a r m 公司继a r m 7 微 处理器后推出的一款3 2 位嵌入式r i s c 微处理器解决方案，具有高性能、低费 用和高效率的优点。并且经过特殊优化以适应嵌入式系统的开发环境。同时， a r m 9 微处理器采用的是独立的内存装载存储指令体系，即指令体系中只有相 应的装载存储指令可以访问系统中的内存，而数据处理指令只能访问寄存器。 a r m 9 2 0 t 核心架构包含一个a r m 9 t d m i 微处理器核心、一个1 6 k 字节的数据 快取内存、一个1 6 k 字节的指令快取内存、内存保护单元、一个a m b a 接口总 线和一个e t m ( e m b e d d e dt r a c em a c r oc e l l ) 接口，e t m 接口允许开发人员进行即 时的微处理器流程追踪及除错。 下面列出s 3 c 2 4 1 0 3 4 】芯片几项与遥操作移动机器人设计紧密相关的性能参 数： 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部i 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h e ，1 6 k b 指令 c a c h e ，m m u 。 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 两个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 芯片内置p l l 。 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集。 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓存和物理地址t a gr a m ，减小了 对主存储器带宽和性能的影响。 支持s d r a m 掉电模式下的自刷新。 支持不同类型的r o m 用于启动( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和其它) 。 芯片封装采用2 7 2 f b g a 封装。 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 图3 2 是该芯片的内部结构示意图。 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 3 2 2 微处理器模块最小系统设计 $ 3 c 2 4 1 0 最小系统设计包括复位电路、晶振电路、存储电路等常规电路构成。 由于采用低功耗设计，$ 3 c 2 4 1 0 芯片的外围工作电压为3 3 v ，内部核心工作电 压仅为1 3 v 。 ( 1 ) 复位电路 在系统中，当启动电源或按复位按钮，c p u 将重新初始化，完成上电复位 或按键复位。由于$ 3 c 2 4 1 0 内部不带复位电路模块，所以要外加复位电路。复 位芯片种类很多，这里采用专用微处理器电源监控芯片m a x 7 0 8 s ，相比常用的 r c 复位电路，提高了系统的可靠性。 1 2 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 ( 2 ) 晶振电路 在晶振电路中，要为$ 3 c 2 4 1 0 提供两个独立的时钟源：x t 0 x t l p l l 引脚 连接1 2 m h z 晶振，通过片内p l l 电路倍频后为系统提供各种时钟信号；倍频后 可以到达2 0 0 m h z ，此为c p u 的工作频率。x t 0 x t l r t c 连接3 2 7 6 8 k h z 晶 振专为c p u 的实时时钟模块所用。这里注意采用3 2 7 6 8 k h z 这种低频率的晶振 是由于时钟信号相对频率要求不高，而在满足要求的情况下，频率越低，也就意 味着功耗越低。 ( 3 ) 存储器接口电路 一个微机系统要运行，除了c p u 以外，还要有其存储结构。其中，在嵌入 式系统中存储装置一般分为直接跟c p u 进行快速数据交换的内存和用于保存数 据和程序的f l a s h 。s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr _ a m ) 不具有掉电保持数据 的特性，但其存取速度快，且具有读写的属性，因此在系统中主要用作程序的 运行空间、数据及堆栈区。 本系统中，内存采用的是现代的s d r a m ，型号为h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，采用两 片并联构成3 2 位数据宽度、容量为6 4 m 的s d r a m 存储系统。由于采用缩减的 l i n u x 系统，占用极小的内存容量，所以6 4 m 的s d r a m 足够系统运行机器人要 执行的各项任务。图3 3 给出了系统的s d r a m 存储器电路。 1143 图3 3 系统s d r a m 电路 f l a s h 存储器是一种可在线带电擦写、掉电后信息不丢失的存储器，通常 用于存放用户的启动程序、操作系统内核以及文件系统和应用程序。其中f l a s h 中南大学硕士学位论文 第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 又可分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种。前一种f l a s h 属于线性f l a s h ，它以地址 线、数据线的方式与c p u 通讯，程序可以直接在其上面运行，不需要加载进内 存，且可以很容易地存取其内部的每一个字节。n a n df l a s h 使用复用接口和控制 i o 进行多次寻址，它的读写类似硬盘，每一个最小扇区分为5 1 2 字节的块，它 的写速度比n o rf l a s h 快，读速度比n o rf l a s h 稍慢。n a n df l a s h 的主要优点是容 量可以做到很大，如现在市面上4 g 的u 盘采用的就是n a n df l a s h 作为存储器。 而且价格相对于n o rf l a s h 要便宜很多，因此，n a n df l a s h 得到更加广泛的应用。 本系统也采用n a n df l a s h 作为存储器。型号采用s a m s u n g 公司的k 9 f 1 2 0 8 ， 它容量为6 4 m b ，存储一般的程序文件完全够用。图3 - 4 为f l a s h 存储器电路图。 u 4 w p w e a l e c l e v s s v c c c e r e r d y m 1 9 _ _ 一 1 8 _ _ 一 1 7 1 6 1 3 _ 一 1 2 9 _ _ 一 8 7 0 a l e c l e r i f c e 列限e r n b 图3 4n a n df l a s h 存储器电路图 g n d 3 3 超声波测距模块 测距模块由多组超声波传感器组成，负责检测周围障碍物的距离。它们分布 在机器人车体的各个方向，以保证能检测到四周的障碍物。超声波传感器能检测 0 3 m 到3 m 内的障碍物。测得的数据经过单片机的串口和核心板$ 3 c 2 4 1 0 的串 口实现通讯。 3 3 1 超声波测距基本原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波【3 5 1 是一种振动 频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频 率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透 几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到 活动物体能产生多普勒效应。 1 4 0 l 2 3 s x 4 5 6 7 蚴m 的玲w w 的的d 的 力一加一孔一蛇一掘一剪一札一舵一诏一 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。 小功率超声探头多作探测作用。本测距模块采用的是接收头采用与发射头配对的 u c m 4 0 r ，它属于压电式超声波换能器，压电式超声波发生器实际上是利用压电 晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3 5 所示，它有两个压电晶片 和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率 时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两 电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械 能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 共振 电 压电晶片 图3 - 5 超声波探头内部结构 超声测距一般采用渡越时间法：即d = c t 2 ，其中d 为机器人与视测物之间 的距离，c 为声波在介质中的传播速度( c = 3 3 1 4 乘以根呈号( 1 + t 2 7 3 ) m s ，t 为摄氏温度) ，t 为超声发射到返回的时间间隔。 图3 - 6 是超声波传感器测量的范围图。 0 图3 - 6 超声波传感器测量范围 由图可以看出超声波测量距离是有一定角度性的，在正负2 2 5 度内测量有 较好的效果。超过这个区域就会产生较大的测量盲区。为了全方位的对前方障碍 中南大学硕士学位论文第三章系统硬件体系结构和模块电路设计 物的检测，可以采用多组超声波测距的方式。 本超声测距系统共有3 对超声换能器，分别放在遥操作移动机器人的前、左 前、右前三个位置。采用一片s t c 8 9 c 5 2 单片机对三路超声信号进行循环采集， 并将数据劲串口送到a r m 核心板。 3 3 2 测距电路 本系统超声波测距部分采用自制的超声波测距模块。它分为超声波发射电路 和接收电路两部分。 ( 1 ) 超声波发射电路 经实践证明在频率为4 0 k h z 左右的超声波在空气中传播的效率最佳；同时， 为了方便处理，发射的超声滤被调制成4 0 k h z 左右，具有一定间隔的调制脉冲 波信号。其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为1 2 5 p , s 一- - 2 0 0 1 t s ，即 在一个调制脉冲内包5 - - - ，8 个4 0 k h z 的方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最 大距离及测量通道数。图3 7 是超声波发射电路。 图3 - 7 超声波发射电路 4 0 k h z 的信号经单片机的p 1 o 口发出，经7 4 0 4 非门芯片产生两路推挽式驱 动电路，经超声波发射换能器发出超声波探测信号。 ( 2 ) 超声波接收电路 超声波接收换能器接收反射回来的超声波信号是很微弱的，必须对信号进行 放大才能进行检测。微弱信号的放大采用集成电路c x 2 0 1 0 6 ，它是一个具有前 置放大、限幅放大、通带滤波