ARM嵌入式系统智能灭火机器人控制器设计方案.docVIP

基于ARM9嵌入式系统智能灭火机器人控制器设计 来源：21ic　 时间：2010-12-10 评论 0 条 　(访问论坛)　RobotSky恭候您的投稿 O 引言控制器是智能机器人处理和控制信息的主体，它直接决定了机器人的行为和性能。近几年来随着高性能微控制器和嵌入式系统技术的不断进步，为各类实时控制应用提供了解决方案。嵌入式系统(ES)是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的系统，其是硬件和软件紧密捆绑在一起的系统。将嵌入式系统应用于灭火机器人的设计中，对机器人的性能智能化、网络化、小型化都有了明显提高。比赛用灭火机器人需要机器人有智能较高的自动控制性能与可靠的机械控制性能的同时保证，才能在短时间内准确寻找到火源并灭火回家。在此以ARM9处理器为核心，对基于嵌入式系统的智能灭火机器人进行了设计。本文将从硬件和软件方面讲述智能灭火机器人控制器的实现方法，并且给出了机器人灭火的具体实验，验证了方案的可行性，为智能灭火机器人的进一步研究提供了平台。l 灭火机器人的描述灭火机器人的外形结构如图1所示，它的主要构件有：红外发射传感器(6个)，红外接收传感器(6个)，声音传感器(1个)，灭火风扇(前后各1个)，远红外火焰传感器等(前后各7个)。其中红外发射和接受传感器的配合使用可以使机器人自动避障行走。远红外火焰传感器可以检测光的强弱，用于判断房间是否有火以及趋光灭火。声音传感器用于启动。基于实践，风扇灭火更为可靠，所以选用风扇灭火。 2 灭火机器人的总体设计在智能灭火机器人系统中，首先要解决的是定位问题，故需要一个好的定位方案。所以，控制核心需要给传感器留足够的输入接口，同时也要有足够的输出接口用于控制外设。而速度对灭火机器人至关重要，在高速运动的情况下，需要CPU具有比较强的浮点数运算能力。基于上述考虑，选择ARM9为灭火机器人的控制核心，该控制器硬件功能齐全、功耗小、周边设备集成度高，是先进的智能机器人计算平台。它与其他的主要部件如表1所示，系统总体框架如图2所示。 3 灭火机器人嵌入式系统硬件设计3．1 控制器系统设计由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力，可以完成多任务并且具有较短的中断响应。因此在设计过程中，采用嵌入式ARM9为核心的控制器(ST公司的STR9llFAM44)，实现了以极少的周边芯片获得齐全的功能。ARM9处理器具有体积小，功耗低，性能高的特点。它集成了28路模拟信号采集通道，可以兼容数字信号和模拟信号，每路精度为10位，因此可以分辨3 mV特的输入电压变化。8路高速数据采集通道每秒可采集50万次信号。该处理器内部采用哈佛结构，每秒可执行1．1亿条机器指令，这样的强大功能可以实现机器人高速精确地按照规定路径行走，并且机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数值，在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。在主控制器核心CPU的基础上，将各种功能模块、执行机构等连接到CPU的引脚上。控制器总共有28路模拟采样接口。ARM9控制器的系统图如图3所示。 在此选用Atmel公司生产的AVR ATmega 8微处理器作为辅助单片机。ATmega 8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于它先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega 8的数据吞吐率高达l MIPS／MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。同时ATmega 8具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、程序调试器／软件仿真器、仿真器及评估板。这样就大大方便了在硬件基础上进行软件设计。 ARM9处理器含有20路标准数据采集通道通过Atmega816-PC辅助单片机连接到主芯片上，用以读取远红外传感器组及检测端口的数值，每秒可采集1 000次。这种设计提高了端口数值读取速度，使机器人能对周围环境信息做出迅速判断。ARM9微处理器与辅助单片机如图4所示。 为了保证灭火机器人灵活行走和低功耗，需要一个体积小，超薄轻巧，功耗低的显示器。Uniohm公司生产的LCD满足设计要求，通过与单片机连接、编程、下载、完成显示功能。 3．2 控制器电源供电设计电源直接影响机器人运行特性。考虑到电动机启动瞬间电流很大，会造成电源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性，因此这里采用双电源供电方案。电机电源采用容量为2 500 mAh高放电倍率聚合物锂电池，工作电压为24 V，能提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的10倍；控制器电源采用8．4 V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，控制器电源供电电路图如图5所示。