基于无线通信的嵌入式机器人控制系统设计

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1、1引言   轮式移动机器人是机器人研究领域的一项重要内容，它集机械、电子、检测技术与智能控制于一体，是一个典型的智能控制系统。智能机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体，已成为国际上广泛开展的高技术对抗活动。现以arm7处理器为控制核心，采用无线通信技术，并移植嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ设计了一套智能机器人控制系统。   2硬件设计   根据竞技机器人的功能要求进行总体设计，将各个功能进行模块化，其控制系统硬件框图如图1所示。中央处理器采用微控制器结构，用以控制外围设备协调运行。舵机控制机器人的运动方向；驱动电

2、机电动机采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机驱动车轮旋转。电磁铁作为机械手夹紧的执行元件。设置了两路超声波传感器、8路光电检测输入和8路开关量检测接口。整个机器人的运行状态和运行参数通过LCD动态显示。  2.1微控制器的选型   机器人要实现的动作和功能较多，需要多个传感器对外界进行检测，并实时控制机器人的位置、动作和运行状态。系统中的所有任务最终都挂在实时操作系统μC／OS-Ⅱ上运行，因此不仅要考虑微控制器的内部资源，还要看其可移植性和可扩展性。LPC2129是Philips公司生产的一款32位arm7TDM

3、I-S微处理器，嵌入256KB高速Flash存储器，它采用3级流水线技术，同时进行取指、译码和执行，而且能够并行处理指令，提高CPU的运行速度。由于它的尺寸非常小，功耗极低，抗干扰能力强，适用于各种工业控制。2个32位定时计数器、6路PWM输出和47个通用I／O口，所以特别适用于对环境要求较低的工业控制和小型智能机器人系统。因此选用LPC2129为主控制器，可以获得设计结构简单、性能稳定的智能机器人控制系统。   2.2无线通信接口设计   系统采用迅通公司生产的PTR2000无线通信数据收发模块。电路接口如图2所

4、示。该模块基于NORDIC公司生产的射频器件nRF401开发，其特点是：①有两个频道可供选择，工作速率高达20Kb／s；②接收发射合一，适合双工和单工通信，因而通信方式比较灵活；③体积小，所需外围元件少，接口电路简单，因此特别适合机器人小型化要求；④可直接接单片机串口模块，控制简单；⑤抗干扰能力强；⑥功耗小，通信稳定。   2.3光电检测模块设计   2.3.1光电检测过程   设计光电检测模块，使机器人能够检测地面上的白色引导线。光电检测电路主要包括发射部分和接收部分，其原理如图3所示。发射部分的波形调制采用了频

5、率调制方法。由于发光二极管的响应速度快，其工作频率可达几兆赫兹或十几兆赫兹，而检测系统的调制频率在几十至几百千赫兹范围之内，因此能够满足要求。光源驱动主要负责将调制波形放大到足够的功率去驱动光源发光。光源采用红外发光二极管，工作频率较高，适合波形为方波的调制光发射。   接收部分采用光敏二极管接收调制光线，将光信号转变为电信号。这种电信号通常较微弱，需进行滤波和放大后才能进行处理。调制信号的放大采用交流放大形式，可以将调制光信号与背景光信号分离开来，为信号处理提供方便。调制信号处理部分对放大后的信号进行识别，判断被

6、检测对象的特性。因此，该模块的本质是将"交流"的、有用的调制光信号从"直流"的、无用的背景光信号中分离出来，从而达到抗干扰的目的  2.3.2光电探头   在机器人底盘前部安装有光电探头，共设置了5个检测点，其结构如图4所示。   从理论上讲，检测点越多，越密，识别的准确性与可靠性越高。但是硬件的开销与软件的复杂程度也相应增加。采用该寻线系统保证了检测的精确度，也节约了硬件的开销。发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏二极管。光敏二极管产生的光电流随反射光的强弱线性变化。检测出这种变化，即可判断某一个检测点是否在白

7、色引导线的上方，从而判断机器人和白色引导线的相对位置。   2.4超声波测距传感器设计与实现   两路超声波传感器用以控制机器人避开障碍物，并预测机器人相对目的地距离，起导航作用。其接收部分与微控制器的捕获和定时管脚相连接。整个超声波检测系统由超声波发射、超声波接收和单片机控制等部分组成。发射部分由高频振荡器、功率放大器及超声波换能器组成。经功率放大器放大后，通过超声波换能器发射超声波。   图5给出由数字集成电路构成的超声波振荡电路，振荡器产生的高频电压信号通过电容C2隔除掉了信号中的直流量并给超声波换能器MA4

8、0S2S.其工作过程：U1A和U1B产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射。如果超声波换能器长时间加直流电压，会使其特性明显变差，因此一般对交流电压进行隔除直流处理。U2A为74ALS00与非门，control_port（控制端口）引脚为控制口