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基于M16C嵌入式移动机器人硬件设计 　　摘 要:设计了一种基于M16C/62P控制器的灵活通用的移动机器人平台,提出了一种分层次、模块化的硬件设计方法,并详细阐述了各个硬件模块的设计和实现。设计的硬件平台提供了丰富的接口,可以连接多种传感器。由于分层和模块化的设计,可以根据具体任务更换底盘和主控制器。 　　关键词:移动机器人 嵌入式 模块化 　　中图分类号: TP24文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 03-064-02 　　1引言 　　移动机器人研究是一个多学科交叉的研究领域,涉及传感器技术、无线网络通信、运动控制、实时操作系统、人工智能等多学科的内容。一个良好的移动机器人平台非常适合于嵌入式系统的学习和研究。目前的移动机器人的硬件架构已比较成熟,但现有的机器人控制系统大多是针对于某一个特定领域的机器人所设计 ,无法跨领域使用;对于不同的研究对象和应用场合,需要选择不同的移动机器人,这会增加成本,也为研究带来诸多不便。在群机器人(Swarm Robots System)领域,每个机器人的体积和成本都是非常关键的因数 。群机器人系统中,并不是每个成员都要求是高性能的机器人,为每种机器人设计不同的嵌入式系统会增加成本、花费时间 。根据成员不同的特性,安装不同的硬件模块,可以有效的控制成本和体积。不同的研究目的要求机器人执行不同的任务,所以移动机器人必须具有挂载多种传感器的能力。本文根据分层次、模块化 、易扩展的硬件设计思想,设计了一个完整的移动机器人平台,具有安装多种传感器、无线网络通信的能力,用于机器人和嵌入式技术的研究。 　　2设计方案 　　硬件的整体结构主要分成5个部分:控制系统、通信系统、传感器、动力系统和移动机器人底盘。采用分层设计,动力系统和底盘构成驱动层,控制器、通信和传感器构成控制层,第三层为主控制器。每一层是相对独立的模块,可以进行更换。驱动层包含了驱动器和底盘,根据机器人不同的运行环境采用不同的驱动层。比如室内和室外、陆地和水面等就需要选择不同的底盘,履带式、轮式还是船型的。它和控制层采用独立的设计,这样在更换底盘时不需要改动控制层,提升了整个系统的灵活性。控制层包含控制器、通??和传感器。主要的重点是提供丰富的接口,能够连接多种传感器模块。能够根据实际需要执行的任务,加载不同功能的传感器模块,使得该机器人平台能用于多种用途。控制层还提供通信模块,再加上底层的驱动层就已经构成了一个基本的移动机器人平台,能够实现一些较低级的功能。第三层为主控制器,通过SPI接口或USB接口与控制级相连,这样可以选择不同的主控制器。当需要实现较复杂的功能、运行复杂的算法,可以选择高性能的控制器,如果需要实现大量、高速的数据传输,可以将通信功能转移到主控制器层。 　　驱动级负责底盘驱动;控制级负责传感器数据的采集和处理、机器人的运动控制、低速通信;主控制器级采用高速的处理器,实现复杂运算和高速通信。在执行不复杂的任务时,不必添加主控制器,驱动级和控制级已经构成了一个比较完整的移动机器人平台。这样设计提高了系统的灵活性,也有利于控制成本。 　　 　　图 1系统层次图 　　3业系统结构 　　3.1驱动层 　　不同的底盘需要不同的驱动电路,所以将驱动电路与底盘捆在一起,是一个独立的模块。底盘的设计涉及到机械结构方面的知识,不在本文讨论的范围。图3中的样车是购买的Arduino RP5底盘,采用直流电机驱动,最大负重7.5kg,能满足大部分需求。为这个底盘设计了配套的驱动电路,采用BTS7960搭建H桥电路,光电码盘测速。由控制层提供PWM信号、采集光电码盘的测速信号。如果希望进一步提高驱动层和控制层的独立性,在驱动层采用MCU,设计成独立的运动控制系统,通过UART或SPI等标准接口与控制层相连。所以只需基本相同的标准接口,采用规定的数据通讯格式,就可以随意更换驱动层和控制层。但出于成本的考虑,没有采用这种设计。 　　3.2控制层 　　(1)控制器 　　基于实验室的条件,控制层采用瑞萨的M16C/62P单片机,主频24MHz,具有384Kbyte的Flash,31Kbtye的SRAM。M16C/62P提供了丰富的外设,主要包括I2C、SPI和UART接口,11个16位定时器,8个10位AD。根据设计思想,控制层结合驱动层能构成相对完整的机器人平台,所以为了具有足够的内存,又外扩了128Kbyte的SRAM。保证有足够的内存运行uC/OS、LwIP(Light Weight IP,一款针对嵌入式系统的TCP/IP堆栈)、EFSL(Embedded Filesystem Library,一款嵌入式文件系统),构成一个相对完整的嵌入式软件平台。还设计了一个SD卡接口,能够存储大量的传