基于机器人运动控制新版系统软件设计.doc

基于机器人运动控制系统软件设计
摘要：移动机器人运动控制重要是完毕移动机器人运动平台，提供一种移动机器人控制方式。本文通过对移动机器人研究，实现了基于渡越时间法超声波测距模块设计，为机器人提供简朴以便障碍物距离检测。本文重要完毕对主控板控制器软件设计、电机驱动控制器软件设计和超声波测距软件设计，使开发系统可以服务于移动机器人研究通用开发平台。
核心词：机器人；运动控制；软件设计；超声波测距
半途分类号：TP 9 文献标记码：B
0 引言
随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术飞速发展，移动机器人研究进入了一种崭新阶段。同步，太空资源、海洋资源开发与运用为移动机器人发展提供了辽阔空间。当前，智能移动机器人，无人自主车等领域研究进入了应用阶段，随着研究进一步，对移动机器人自主导航能力，动态避障方略，避障时间等方面提出了更高规定。地面智能机器人途径规划，是行驶在复杂，动态自然环境中全自主机器人系统重要环节，而地面智能机器人全地区全自主技术研究，是当今国内外学术界面临挑战性问题。
智能移动机器人是一类可以通过传感器感知环境和自身状态，实当前有障碍物环境中面向目的自主运动，从而完毕一定功能机器人系统。移动机器人技术研究综合了途径规划、导航定位、途径跟踪与运动控制等技术。涉及到涉及距离探测、视频采集、温湿度以及声光等各种外部传感器，作为移动机器人输入信息。移动机器人运动控制重要是完毕移动机器人运动平台，提供一种移动机器人控制方式。性能良好移动机器人运动控制系统是移动机器人运营基本，可以服务于移动机器人研究通用开发平台。
移动机器人技术研究综合了多学科领域知识，核心技术可分为：途径规划、导航定位、途径跟踪与运动控制技术。途径规划又可分为全局和局部途径规划。全局途径规划是依照移动机器人总体任务进行途径规划，将总体途径任务分解，并建立全局地形数据库；局部途径规划是依照全局规划分解子任务，结合移动机器人当前状态信息，实时规划可行途径；导航定位技术拟定移动机器人在全局地图中位置，并实时得到机器人与途径跟踪相对位置关系，其核心技术是多传感器信息解决与数据融合技术。途径跟踪与运动控制技术任务是控制移动机器人跟踪局部规划给出途径，结合导航定位系统得到机器人自身状态信息与道路信息，完毕航向和速度控制。移动机器人途径规划、导航控制以及途径跟踪与运动控制技术是互有关联，任何一种系统不完善都会导致整体性能下降。
1主控板软件设计
主控板硬件完毕模块管理、设备通讯及机器人定位脉冲检测等内容。在实际应用中，主控板硬件还负责超声波测距软件管理。
主控板硬件中只有主控板控制器需要进行软件设计。主控板控制器TMS320LF2407A重要任务是超声波测距软件设计管理和其她某些基本设立内容，涉及电机码盘正交编码脉冲检测。初始选定TMS320LF2407A作为主控板控制器是考虑到此控制系统可以作为后来机器人应用平台，可以在TMS320LF2407A里嵌入实时系统，提高系统性能，以便接口开发。
主控板控制器软件设计内容涉及模块初始化、串口通讯、正交编码脉冲检测和超声波测距软件。这里简介模块初始化串口通讯和正交编码脉冲检测等内容。图1主控板控制器程序流程图。

图1主控板控制器程序流程图
复位向量地址为程序入口，然后程序进行初始化。初始化内容涉及扩展方式、溢出方式、DARAM、倍频、JTAG等基本配备。此外尚有使用有关I／O设立、程序使用有关定期器设立、程序使用有关中断设立和串口通讯有关设立。这些配备都是控制器使用基本配备流程。初始化之后会启动有关中断程序，随后进入超声波测距程序，并始终循环。中断服务程序处在就绪状态，一旦有中断发生，中断服务程序及时执行。
在TMS320LF2407A所有程序中，需要对其串口数据发送和接受程序做阐明。异步通信使用三条线(地线、发送线、接受线)连接采用RS 232格式终端。发送各位依次为一种起始位、l～8个数据位、可选一种奇偶校验位、1~2个停止位。因而串口通讯可以传播最大数据单位为8位，即一种字节。在设计中控制器和各终端会有各种类型数据交流，如整形数据和浮点数据，因而需要对串口发送和接受数据进行数据转换。
四个字节单精度浮点数数据传播，由于串口每次最多只能传播一种字节，因此只需要把每个四字节浮点数存储数据转换成字节形式发送即可，设计中采用强制转换方式完毕。数据接受时候也可以采用同样解决方式，反向转换即可。此外在数据转换上也可选取共用体来实现，共用体实质和上面讲述类型转换是同样，只是共用体各个数据类型占用存储空间是共同，对于这个存储空间，共用体定义任何构造类型变量都可以调用。上位机里串口数据解决采用是这种办法，十分以便。
对于正交编码脉冲检测，TMS320LF2407A具备独立正交编码脉冲单元，只要对单元寄存器进行简朴设立即可得到机器人驱动轮运营方向和距离参数。TMS320LF2407A将这些数据通过串口发送到上位机，由上位机建模，对数据加以解决后得到机器人位姿信息。
2 电机驱动软件设计
电机驱动软件完毕电机驱动控制和闭环调速。驱动控制使用是电机驱动主控芯片STCl2C4052AD片内PWM外设单元，生成PWM信号通过电机驱动芯片驱动电机，可以通过调节PWM占空比来调节加载在电机上24VDC电压占空比，从而调节电机转速。PWM占空比由片内8位PWM控制寄存器进行控制，该寄存器取值范畴为0-255，分别代表PWM信号占空比从l到0持续变化。同步STCl2C4052AD接受电机光电码盘脉冲信号，运用片内时钟计算出电机运营速度，通过速度控制算法完毕电机闭环调速。
电机驱动及闭环调速软件算法流程图如图2所示。

图2电机驱动控制器程序流程图
如上图所示，程序开始后进行初始化，初始化涉及程序使用有关变量定义、10ms定期器0、定期器l及串口、脉冲计数用外中断0、看门狗等寄存器设立和电机状态参数(刹车、速度)等初始化。然后进入循环状态，循环过程中更新看门狗寄存器有关标志位。速度检测和闭环调速程序分别在外中断0和定期器0中完毕。中断服务程序也就包括了外中断0、定期器0以及串口中断服务程序。
外中断0是电机光电码盘脉冲检测外设，所有电机光电码盘脉冲都会引起外中断0中断。码盘脉冲测速原理是计算STCl2C4052AD单位定期时间内脉冲数目，因而外中断0中断服务程序内容就是对脉冲计数。而上位机设定目的电机转速也会被转换为此单位定期时间内脉冲数目。可以定义一种全局变量，每次进入外中断0中断将该变量加1即可。此外为防止程序干扰，应当对计数值加以修正，如不大于0时候等于0，不不大于某一设定值时候等于某一设定值等。
3 超声波测距软件设计
设计中超声波测距软件运用了惯用超声波测距渡越时间法。渡越时间法工作原理为发射超声波同步开始计时，接受到超声波后停止计时，记录超声波传播时间为t，那么超声波测距模块和障碍物距离为s由下式表达。
S=v*t/2
其中v为超声波在空气中传播速度。由下式表达。

其中，T为空气华氏温度。
在常温下，超声波传播速度随温度变化并不太大，并且超声波传播时间都为毫秒级，因而影响不是很大。但是也可觉得超声波测距模块添加一种温度校正模块，检测环境温度，再在主控板控制器计算超声波速度时进行修正。当前市场已有集成温度检测器件，也很以便。
超声波测距重要流程为发射超声波后来，如果有反射超声波信号返回，则由外中断0接受计算距离。在超声波信号发射同步打开定期器3，定期时间为最大超声波测量距离所需传播时间，如果在定期器3中断时候还没有外中断0中断事件发生，即没有反射超声波信号返回，那么在进入定期器3中断时候关闭超声波返回中断和超声波传播时间定期器l，进行下一次超声波测距循环。程序流程图如图3所示。

图3 超声波测距程序流程图
外中断0接受到超声波测距信号返回，则进入外中断0服务程序进行测距程序解决。若没有超声波信号返回则将发生定期器3定期中断，阐明等待超时，设定测距范畴内无障碍物。两种状况都将引起等待标志位变化，程序跳出等待状态，更改工作超声波测距模块，进行下一种超声波模块测距解决。
外中断0和定期器0程序流程图如图4所示。

图4 外中断0和定期器3程序流程图
图中A为外中断0程序流程图。进入中断服务程序表达有超声波信号返回。程序开始关闭所有系统可屏蔽中断和测距使用外设，读取定期器l计数值，计算障碍物距离。更改程序循环标志，然后中断服务程序返回。B为定期器3程序流程图。进入中断服务程序表达测距范畴内无障碍物，因而只用关闭系统可屏蔽中断和测距使用外设，直接更改程序循环标志，退出中断服务程序即可。设立定期器1不产生中断，而设立定期器1为定期最大值也不会发生定期器l中断。因而不必写定期器1中断服务程序。
4　结论
本主控板控制器协调上位机和各模块工作，软件设计中详细讲述串口传播中数据类型解决问题。运用单片机PWM外设生成脉冲宽度调制信号驱动电机，并通过光电码盘实现电机闭环调速。超声波测距模块已有广泛应用，超声波测距模块软件程序采用通用渡越时间法完毕距离测量，并通过模仿开关实现多超声波测距模块分时工作。