基于ARM的嵌入式服務機器人控制器的研究
摘要： 服務機器人控制系統是機器人的神經中樞，決定著機器人能否按照用戶要求順利地完成相應工作任務。基于 ARM和嵌入式μC／OS-Ⅱ的服務機器人控制系統可廣泛應用于服務型機器人。這必將開發出低成本、低功耗、體積小巧、實時性強、可靠性高、接口豐富、維護方便、智能化程度高的機器人，也將促進機器人運用的普及和推廣，從而推進我國機器人行業向產業化方向發展。
Abstract：
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1 引言
隨著人口老齡化進程的加快，更多老年人，尤其是地震和疾病致殘的殘疾人，都需要照顧。基于此，這里提出一種基于ARM的嵌入式服務機器人控制系統設計。該服務機器人的控制系統是機器人的神經中樞，因而其設計是機器人研究的核心。該控制系統通常以MCU、 DSP等為核心，采用上、下位機二級分布式結構。其中上位機一般為PC機，下位機為單片機或DSP等微控制器。但隨著移動機器人的智能化，控制方法的發展，所需計算量增大，一般的單片機等處理器很難完成控制要求。而基于arm的嵌入式服務機器人的控制器采用分層與模塊化結構，充分體現可擴展性、可移植性的設計原則．同時具有低成本、低功耗、體積小巧、可靠性高、智能化高以及通用性等特點。
2 系統整體結構設計
圖1為嵌入式控制系統的軟硬件層次結構。
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟、硬件可剪裁，適用于應用系統，對功能、可靠性、成本、體積，功耗要求嚴格的專用計算機系統。嵌入式系統總體可劃分為硬件和軟件兩部分。硬件由微處理器和外圍的接口電路組成，同時還包括傳感器及驅動器接口和被控對象(機械裝置)；而軟件一般由實時操作系統及其運行的應用軟件構成。其應用軟件的功能層由基于RTOS的應用程序組成，用來控制被控對象。
3 系統硬件設計
服務機器人控制系統的硬件平臺設計至關重要。首先它是用戶控制邏輯的具體執行者，服務機器人的各種控制功能必須通過硬件實現；其次它也是實時控制系統軟件移植和運行的硬件環境。這里采用部件模塊化，接口標準化，互換性、擴展性好，可靠性高的硬件設計原則。
服務機器人控制系統主要用于實現控制服務機器人的導航、啟動、停車、運行控制、路徑規劃、安全監控、遠程控制計算機通訊及語音識別等功能。該控制系統主要由主控、導引、驅動、通訊、安全與輔助、語音識別、液晶觸摸屏以及電源管理等單元組成。圖2為其功能結構框圖。
嵌入式處理器是整個硬件系統的核心元件，其性能好壞直接決定整個系統的運行效果，所提供功能的強弱直接決定嵌入式應用的適應范圍和開發復雜度。嵌入式處理器一般具備以下特點：支持實時多任務操作系統；具有強存儲區保護功能；處理器結構可擴展；功耗低。圖3為基于arm9的嵌入式系統的服務機器從主控制器模塊結構。
選用三星公司ARM9系列的S3C2410處理器作為服務機器人的控制CPU，在嵌入式系統μC／OS-II下實現機器人控制。S3C2410處理器采用 arm920T內核，5級流水線指令結構，片內鎖相環，內部時鐘可達200 MHz，因此可用來進行復雜控制算法，提高控制精度。S3C2410有117個I／O口和24個外部中斷源，內部具有豐富的接口控制器，如：USB控制器、DMA控制器、UART控制器、I2C控制器等，這樣可簡化外圍電路，同時其內部時鐘可達200 MHz，高性能指令集及可與C語言交叉匯編使其能完成復雜運算，提高服務機器人控制的實時性。
arm處理器模塊通過兩個RS-232串口分別與傳感器模塊、伺服控制模塊連接，RS-232串口均丁作在中斷模式下，以保證系統的實時性。伺服控制模塊與傳感器模塊均基于TI公司的TMS320LF2407型DSP，伺服模塊可同時控制4路直流伺服電機，傳感器模塊可接24路超聲傳感器和24路紅外傳感器，模塊在設計時充分考慮到降低成本和功耗，同時注重其實時性和可靠性。
人機交互模塊采用液晶(LCD)觸摸屏及語音交互接口。S3C2410內置有液晶控制器，可以支持最大256 K色的TFT彩色液晶屏、最大4 K色的STN彩色液晶屏，這里選用LQ080V3DG01型8英寸640x480 TFT液晶屏，該液晶屏上配有4線電阻式觸摸屏，用于檢測屏幕觸摸輸入信息，有利于提高人機交互的友好性；而語音識別南凌陽公司的SPCE061A完成，該器件是一個16位結構的高集成的微控制器，內部集成有MCU、A／D轉換器、D／A轉換器、RAM、ROM。具有較高運算速度的16x16位的乘法語音和內積運算指令，CPU時鐘最高可達49 MHz。系統支持10個中斷向量及14個中斷源，具有較強的中斷處理能力，適合實時語音處理。具有雙通道10位A／D轉換器方式的音頻輸出功能，配置帶自動增益控制功能(AGC)的麥克風輸入方式，為語音處理帶來極大便利。圖4為語音識別模塊硬件結構。
4 系統軟件設計
軟件設計的基本原則是：軟件結構化、驅動標準化、系統可定制。服務機器人的控制器關鍵要保證系統的實時性。采用μC/OS-II實時操作系統，其具有結構簡單、容易移植、源代碼公開等優點。使用μC／OS-II實時操作系統開發服務機器人控制軟件就是將整個控制軟件的功能劃分為若干任務，分別加以實現，并以任務問通信方式實現各個任務間的邏輯關系。整個軟件控制體系結構如圖5所示。
5 實驗研究
在搭建機器人軟硬件平臺及編寫與硬件相關的底層函數后，在該實時內核上編寫接口驅動程序及機器人應用程序。通過軟硬件整體測試后，將該機器人控制器安裝在智能輪椅上進行實驗。在實驗過程中。智能輪椅移動穩定，轉向靈活，變速平穩；能及時識別并躲避障礙物；機器人視頻傳輸畫面流暢；語音人機交互功能，由麥克風將聲音傳給語音處理器，通過硬件處理識別語音信號，然后再經南喇叭播放機器人的對答聲音。實現人機對話。同時該服務機器人控制系統結構簡單，電路體積小，有利于安裝與維護。
服務機器人控制系統是機器人的神經中樞，決定著機器人能否按照用戶要求順利地完成相應工作任務。基于 ARM和嵌入式μC/OS-Ⅱ的服務機器人控制系統可廣泛應用于服務型機器人。這必將開發出低成本、低功耗、體積小巧、實時性強、可靠性高、接口豐富、維護方便、智能化程度高的機器人，也將促進機器人運用的普及和推廣，從而推進我國機器人行業向產業化方向發展。
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