1、 导言
智能移动机器人集成了机械、电子、计算机、自动操控、人工智能等多学科的研讨成果，在当前机器人研讨范畴具有杰出方位。操控体系是机器人的中心部分，现在应用在机器人底层操控体系的微操控器主要有8/16位单片机和数字信号处理器(DSP)两种类型。但运用8/16位单片机处理数据才能低，且硬件电路巨大，体系安稳性弱，DSP的规划初衷是为了数字信号处理，比较而言，嵌入式微处理器ARM具有简直相同的内部资源和运算速度，但在操控方面功能优于DSP，并且许多ARM器材支撑TCP/IP协议，有利于将来机器人的网络操控。归纳考虑以上要素，这儿提出了一种依据ARM和杂乱可编程逻辑器材(CPLD)的智能轮式移动机器人操控体系，完成移动机器人的底层操控。
2、体系组成及作业原理
该体系规划的轮式移动机器人机械导航结构选用四轮差速转向式的机械组织，前面两个轮是随动轮，起支撑效果，后边两个轮是驱动轮，由两台同步电机驱动，别离操控两个驱动轮的转速，可使机器人依照不同方向和速度移动，运动灵敏，可控性好。
移动机器人以PC机作为上位机，使用摄像头对机器人的本身方位和外部环境进行剖析，树立环境地图，进行途径规划。上位机发送运动操控指令给移动机器人的底层操控体系，供给左右驱动电机的理论速度值。以ARM和CPLD为中心的机器人操控体系与上位机经过无线收发模块完成通讯，依据上位机的指令操控电机的运转和超声渡传感器组的发送与接纳;并依据障碍物信息，做出避障决议计划。智能移动机器人的操控体系结构框图如图1所示。
3、操控体系硬件规划
3.1主控模块规划
该智能轮式移动机器人操控体系的中心操控器选用Samsung公司的S3C44B0X，它是依据ARM7TDMI核(适用于实时环境)的32位微处理器，具有高速运算才能、A/D转换器、丰厚的I/O端口和中止，有利于完成移动机器人的电机操控、传感器信息处理、外部通讯以及杂乱的操控算法。体系选用CPLD作为协处理器，供给可编程脉冲发生电路、光电编码器输入电路、超声波传感器输入电路，这儿挑选ALTERA公司的MAXⅡ系列EPM1270器材。该体系规划充分使用了CPLD的高速逻辑处理才能，主操控器ARM只需设定操控参数，这样就减轻主操控器的担负，进步体系的实时性，一起也减少了外围硬件电路，进步操控体系的安稳性和可重构性。
ARM与CPLD经过并行总线衔接，该并行总线包含ARM器材的地址、数据、操控和多路可编程I/O总线。ARM经过拜访特定地址和I/O端口来操控CPLD，CPLD则经过可编程I/O端口向ARM发送中止请求。
3.2电机操控和驱动模块的规划
轮式移动机器人的两个驱动轮速度别离由两台驱动电机操控，完成机器人不同方向和速度的运动。轮式移动机器人的功能要求电机转矩大，脉动小。在高、中、低速下驱动电机均有杰出的功能，且操控办法简略，因而驱动电机选用方波驱动的沟通永磁同步电机。这种电机依据转子方位反应信息选用电子换相运转，电机转速与驱动信号的频率成正比，既具有沟通电机结构简略，运转牢靠，维护便利等长处，又具有直流电机动态特性好，调速功能优秀的长处。
体系经过CPLD和外部驱动器材构成操控电路，选用方波驱动和定位操控(通电状况操控)的办法，操控两台永磁同步电机，取得可调的准确速度和方位操控，结构紧凑。两路电机操控原理相同，这儿只介绍一路。
CPLD中的电机操控电路由分频电路、调速电路、相序分配电路组成。其间，分频电路由分频器构成;调速电路是使用MAX+PLUSⅡ的LPM宏单元库的算术运算模块lpm_counter构成可预置数的5位减计数器。依据所需的速度，设置预置数，计数器对分频电路输山的clk脉冲信号减计数至零时输出一个借位脉冲，并再次装入预置数进行减计数，将其借位脉冲cout作为调速电路的输出脉冲，cout借位脉冲的频率规模为fclk/1-fclk/31，即引入了步长为1的调速因子(预置数)。可经过改动调速因子对脉冲信号进行1～31倍的接连可调分频，然后调理电机的转速;而相序分配电路是以cout借位脉冲作为输入，使用两个D触发器和门电路输出4路相位相差90°的方波脉冲，作为两相同步电机的操控信号;stop信号操控电机的启停;dir信号操控电机的转向，正转时相电压uCD超前uAB 90°，回转时uAB超前uCD90°，各相信号的频率为cout脉冲频率的1/4。CPLD中输入的调速和相序分配电路原理见图2。仿真成果验证了规划逻辑的正确性，如图3所示。
外部驱动器选用L298双H桥高电压大电流功率集成电路，将脉冲发牛电路发生的4相方波信号经总线收发器74LS245输出至L298的输入端IN1～IN4，操控H桥的通断，使电机正回转或中止。为避免电机在启停瞬间的反应电压损坏L298，在L298输出端和电机之间加人8个二极管起断电续流的维护效果。
为了改进电机的操控功能，完成对机器人更准确和安稳的运动操控，需求取得电机的速度信息作为电机操控的反应环节，该体系选用增量式光电编码器作速度检测，两个光电编码器别离与两路电机同轴相连，由CPLD合作ARM器材完成变脉冲数/脉冲周期测速，即变M/T测速，守时对电机速度进行采样。采样速度和上位机的给定速度所得差值传人PID操控器。然后完成对电机速度的闭环操控。
3.3超声传感模块
避障是智能移动机器人的基本功能，避障的首要使命是确认障碍物方位。PC机依据机器人视觉体系完成的途径规划易受视场光线强弱、背景色等要素搅扰，针对这一问题，机器人在单片机操控体系中选用超声传感器测距完成机器人对障碍物的检测和定位。
超声波测距选用时刻渡越测距法，即依据从超声波发生器发射出超声波到超声波在传达过程中遇到障碍物后超声波接纳器接纳到反射波所用时刻t，以及超声波在空气中的传达速度v(v=331.4(1+T/273)1/2m/s;T为摄氏温度)，得出机器人与障碍物之间的间隔l=vt/2。该模块共选用3对超声换能器，散布于机器人的正前方、左前方、右前方。ARM宣布操控信号发动内部守时器进行守时。操控信号经功率扩大后作为超声传感驱动电路的发动信号，由超声传感器发生遇到障碍物时回来的高频振动信号扩大后经过接纳电路引起ARM外部中止，在中止程序中可以取得守时器的计数值，并计算出间隔。超声传感模块框图见图4。
4、操控体系软件规划
4.1嵌入式操作体系
智能轮式移动机器人是一个典型的实时多使命体系，传统单使命次序履行机制不能满意该体系规划的实时性要求，并且关于杂乱体系来说牢靠性不高，因而选用实时操作体系μC/OS-Ⅱ。它是一个源码揭露，可移植，可固化，可裁剪的嵌入式操作体系，具有代码尺度小，可占用实时内核，使命多，可确认履行时刻，运转安稳牢靠等特色。将μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X上，并对操作体系进行裁剪，以节约存储空间。
依据实时内核的多使命体系可划分为体系层和应用层。体系层由内核和驱动程序库组成;应用层包含用于达到机器人使命方针的悉数代码。在该体系软件应用层程序规划中，将机器人的使命分解成通讯、信息收集、电机操控等多个用户使命。嵌入式操作体系μC/OS-Ⅱ对使命模块进行办理调度，和谐机器人各项使命运转，确保了体系的实时性和牢靠性。
4.2运动操控算法
为了确保移动机器人运动的安稳性和准确性，使得体系在操控机器人行进、撤退、转弯、刹车等动作时都能快速呼应且超调量小，在操控电机的过程中，体系选用了积分别离的PID操控算法。算法的详细完成办法如下：
5 、 结语
提出了一种依据ARM和CPLD的智能轮式移动机器人操控体系，这一计划充分使用ARM和CPLD的内部资源，既具有ARM微操控器体积小，运算速度快等特色，又具有CPLD的高速逻辑处理才能，灵敏的可扩展性和可重构性。软硬件的调试和运转试验证明，体系操控灵敏，实时性好，牢靠性高，可以满意智能轮式移动机器人的操控需求。这种智能轮式移动机器人的操控体系可用于不同场合的移动机器人操控体系，并具有必定的遍及适用性，且性价比高，具有很强的实用价值。
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