基于MC68332的轮式移动机器人设计.doc

基于MC68332的轮式移动机器人设计摘要：介绍了以Motorola公司32位单片机MC68332为智能控制系统核心的轮式移动机器人，及轮式移动机器人硬件和软件的设计。轮式移动机器人采集CMOS传感器信号智能分析指定线路径信息，自动控制舵机转向，并完成电机的速度控制和PID控制算法。经过试验测试，能过满足轮式移动机器人运动控制要求，达到了较好的控制效果。关键词：移动机器人；控制系统；测速；PID算法Design of Wheeled Mobile Robot Based on MC68332Abstract：The article designed a wheeled mobile robot base on the Motorola 16 bit MCU was served as the intelligent control unite in this system and introduced its hardware and software. Which identified and analyzed the road information from the CMOS sensor, energized the actuator to steer automatically and speed measurement and the PID control arithmetic was completed. The experiment proved that the system could work well and satisfy the need of wheeled mobile robot.Key words：Mobile robot；Control system；Speed measurement；PID arithmetic 0 引言 移动机器人是利用中央处理器CPU和多传感器信息融合技术，把由多个传感器和CMOS摄像头获取的机器人所处环境的各种信息（路径、障碍物等）综合起来，进行融合处理，从而使机器人实时地做出运动控制的决策。移动机器人具有机动性好、环境感知能力强等特点，在各个领域都有广泛的应用前景。移动机器人按照运动方式可分为轮式、履带式和步行式等，本文研究开发的是以MC68332为控制器核心的轮式移动机器人。1 硬件设计本系统主控制器模块采用Motorola公司的32位微处理器MC68332为控制核心，由电源模块、主控制模块、路径识别模块、车速检测模块和直流驱动电机控制模块组成。MC68332是Motorola公司生产的32位单片机，它采用模块化设计，由CPU、内部总线、系统集成模块和各种外围功能模块组成，MC68332的一个显著特点是增加了半独立的智能化定时处理单元（TPU），智能化的半独立TPU具有自己的专用执行单元、三级优先权机构、数据存储RAM和两个时间基准，既能接受CPU的控制，又能独立的执行单元和控制逻辑，能完成相当丰富的定时功能，特别适于高性能实时应用场合。路径识别模块采用JK309B CMOS摄像头PAL制式，每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，每场图像20ms。有效像素为314291，实际测试可知，每场图像共292行，每场约68s，其中前14行为场消隐信号，每行的行同步脉冲持续时间也相同，约为47s。光电编码器选用SZA6-L-1024EV-12G增量式光电编码器。光电编码器产生与车轮的线速度成正比的脉冲信号，通过测量脉冲的频率可以间接地测得车轮的线速度，从而获得机器人运行速度，即V=Df3.6/N式中V为机器人运动速度，D为车轮直径，f为方波信号的频率，N为传感器每圈的脉冲个数，因此测速就转化为测量方波频率，这就是测速的基本原理。目前测量频率的方法主要有：频率法，周期法，多周期法和频率周期法，由于频率周期法精度高，在测频中广泛使用，频率周期法可通过8098的高速输入口、PC104中断口和TPU模块等不同的硬件实现。图1是控制系统的硬件结构。摄像头MC68332光电编码器左直流电机光电编码器右直流电机电流检测电流检测驱动电路驱动电路图1控制系统的硬件结构图Fig 1 The hardware structure of control system2 软件设计2.1 频率测量TPU的周期/脉冲宽度累加器（PPWA）的功能是检测输入信号的调变，以设定的输入信号周期数为时间闸门测量时基的周期数，从而测出输入信号的频率。TPU有固定完成PPWA功能的微码程序，只要CPU告诉TPU需要完成PPWA功能，即对主机接口中的系统设置寄存器和通道控制寄存器进行合理的设置，让TPU自动完成周期计数功能，并把相关结果放到通道参数寄存器中以便CPU响应时调用。TPU测频以输入脉冲个数为闸门，记录该闸门的绝对时间。为了保证测量的高精度，闸门脉冲个数应依输入脉冲频率而定，频率高闸门脉冲个数应多，频率低闸门脉冲个数应少，因此，TPU向CPU中断一次计算得到一个频率值，根据该频率值适时修改闸门脉冲个数。同时，一定要读中断状态寄存器，清除中断状态标志位，等待第二次的中断。在对各参数寄存器修改之后，若要修改的值有效，必须重新进行服务申请，再一次初始化个参数寄存器。单通道测频中断服务程序的流程见图2读PPWA参数寄存器利用公式计算频率根据频率值选择不同的时间闸门复位PPWA参数寄存器中的变量写入时间闸门读中断状态寄存器检测是否发生了中断，清除中断标志后写入重新进行服务申请，使各寄存器更改值有效结束开始图2 单通道中断服务流程图Fig 2 The flowchart of single interrupt service2.2 PID控制算法本系统采用增量式数字PID控制算法，通过PWM波来对直流电机进行调速。增量式数字PID调节的数学表达式： （1），对增量式PID算法归并后，得 （2）其中：， 其中Kp为比例常数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，T为采样周期，为第n次输出增量，e(n)为第n次偏差，e(n-1)为第n-1次偏差，e(n-2)为第n-2次偏差。这个方程式经常被用来在计算机上做逻辑运算。用这种算法来控制步进电机特别方便，对直流电机的控制也可以采用。2.3 路径识别的实现 CMOS摄像头输出的是标准的视频复合信号，利用同步信号分离芯片和MC68332单片机的A/D转换器可以对视频信号进行采集，从而得到CMOS的灰度图像数据，经二值化处理就可以得到路径轨迹在图上的点阵。限于采集速度的限制并结合移动机器人的实际需要，采用顺时针旋转90度的安装方法，可以采集大致横向70个点、纵向20个点的图像，并满足移动机器人控制精度的要求。图3、图4所示分别是直到和弯道上点数为6421的CMOS灰度图像，观察可知本方案采集到的图像完全可以代替整副图像进行路径信息提取，既节省了时间和单片机资源，又满足要求，不失稳定性。 图3 直道图像 图4 弯道图像Fig 3 The image of straight road Fig 4 The image of band road考虑到控制的需要及算法的简练，本方案在路径中选取大约7个中心点作为控制点，采用加权最小二乘法拟合一条直线。通过改变加权因子的大小就可以改变相应中心点在拟合直线中所占的权重。由拟合直线的斜率可以判断当前轮式移动机器人与轨道的夹角，由直线的截距可以判断机器人与轨道的偏离情况，由拟合的残差平方和可以判断当前路径是直道还是弯道。由于稳定状况下轨道为垂直位置，若按照普通方法设直线方程为y=ax+b，则斜率a很大甚至不存在。所以设直线方程为x=ay+b，拟合残差平方和为： （3）为使2最小，条件为： （4）即： （5） 由此可以解得系数a和b，并求得残差平方和2。由系数a可以计算出机器人与当前轨道的夹角；由系数b可以得到机器人和当前路径的相对位置；由2的大小可以判断出当前路径是直道还是弯到，为采取相应的控制措施提供依据。3 结论该智能控制系统在移动机器人中的应用是一个基于单片机M68332智能控制系统，它可以应用到很多场合，该智能控制系统不仅满足了移动机器人控制系统的要求，同时也为机器人的转型应用提供了良好的技术支持，在此基础上，可以加入各种先进的控制算法来实现移动机器人的进一步智能化。参 考 文 献1 齐秋群等. MOTOROLA 32位单片机_MC68300系列原理与应用M. 北京：理工大学出版社，1993.2 陶永华. 新型PID控制及应用（第2版）M. 北京：机械工业出版社，2003.3 夏良正. 数字图像处理M. 南京：东南大学出版社，1999.4 邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法M. 北京：清华大学出版社，2004.5 Bayoum IMM，Chen J. A Hierarchical Multiciew-based Hypothesizing Approach f