引 言
現(xiàn)有智能機(jī)器人用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)一般都是用單片機(jī)或者高速的DSP等進(jìn)行控制,智能機(jī)器人之所以叫智能機(jī)器人,這是因?yàn)樗邢喈?dāng)發(fā)達(dá)的“大腦”。在腦中起作用的是中央計(jì)算機(jī),這種計(jì)算機(jī)跟操作它的人有直接的聯(lián)系。最主要的是,這樣的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行按目的安排的動(dòng)作。正因?yàn)檫@樣,我們才說(shuō)這種機(jī)器人才是真正的機(jī)器人,盡管它們的外表可能有所不同。而且同一機(jī)器人往往需用多個(gè)CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能,但隨著對(duì)機(jī)器人的智能化要求越來(lái)越高,需要一種新的控制器(使用一個(gè)處理器)來(lái)滿足機(jī)器人的各種行為要求,例如視頻采集、無(wú)線通信。本文介紹的利用ARM實(shí)現(xiàn)的智能機(jī)器人平臺(tái),為智能機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)新方法。Linux的引入使其他智能模塊都以設(shè)備的形式存在,只有在用戶需要的時(shí)候才調(diào)用相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)從而使數(shù)據(jù)融合更方便,運(yùn)行多任務(wù)也更穩(wěn)定。
利用ARM和嵌人式Linux作為智能機(jī)器人平臺(tái)具有很大的優(yōu)勢(shì),但在國(guó)內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)用該平臺(tái)開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)完成了對(duì)該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的初步編寫(xiě),并通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證,取得了良好效果。
1 驅(qū)動(dòng)電路及測(cè)速方法
1.1 總體結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路
系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。
本設(shè)計(jì)采用的LMD18200的真值表如表1所列。通過(guò)ARM的I/0口(例如D口的DO~3)來(lái)控制電機(jī)的工作狀態(tài)。
1.2 測(cè)速方法
ARM沒(méi)有捕獲外部脈沖的計(jì)數(shù)器,它的定時(shí)器是用來(lái)計(jì)算內(nèi)部脈沖的。碼盤(pán)輸出信號(hào)接外部中斷處理程序(EINTl)并設(shè)置上沿觸發(fā)變量,在中斷中設(shè)置一全局變量i,用i++累加。設(shè)置定時(shí)器timer0,使它O.36 s產(chǎn)生1次內(nèi)部定時(shí)器中斷。當(dāng)一個(gè)定時(shí)器周期完成時(shí)引發(fā)定時(shí)器中斷,在timer0中斷中讀出i的值,即得到O.36 s內(nèi)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖數(shù);接著將i清零,為下一個(gè)定時(shí)器周期捕獲脈沖作準(zhǔn)備。
1.3 測(cè)量精度分析
智能機(jī)器人選用的光碼盤(pán)精度為256線,即256脈沖/轉(zhuǎn)。電機(jī)減速比為1:71,車輪半徑R為6 CM,車輪間距為41.1 cm.車輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)n=71×256=18 176,可以得到每個(gè)脈沖之間的距離d=27πR/n=2×3.14×0.06/18 176=0.207×10-4m,即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的控制精度達(dá)0.02 mm.考慮到負(fù)載變化的影響,理論值與實(shí)際值會(huì)出現(xiàn)誤差,因此在控制精度d前乘以一個(gè)修正系數(shù)k.表2為機(jī)器人直線行走的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)??梢钥闯?,k為1.10誤差較小,最接近真實(shí)值,因此該值就是所需的比例系數(shù)。
2 速度調(diào)節(jié)
一般的PID調(diào)節(jié),PID調(diào)節(jié)是工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)方式,在各種自控書(shū)籍及資料中,也經(jīng)??吹絇ID這個(gè)字眼,那么什么是PID調(diào)節(jié)呢,PID是英文單詞比例(ProportiON),積分(Integral),微分(Differential coefficient)的縮寫(xiě)。PID調(diào)節(jié)實(shí)際上是由比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)方式組成,它們各自的作用如下:比例調(diào)節(jié)作用:是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過(guò)大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。當(dāng)偏差E較大時(shí)(如啟動(dòng)或大幅度提速時(shí)),由于積分的作用會(huì)產(chǎn)生很大的超調(diào)量,使系統(tǒng)振蕩,因此選用積分分離的方法,開(kāi)始時(shí)取消積分作用,直到被調(diào)量相差不多時(shí)才引入積分作用。具體步驟如下:
①設(shè)定一個(gè)值a>0,E(m)一R(m)一M(m),其中R(m)為給定值,M(m)為測(cè)量值;
②當(dāng)E(m)≥a時(shí),采用PD控制,可以避免過(guò)大的超調(diào),又可以使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);
③當(dāng)E(m)≤n,即偏差值E(m)比較小時(shí),采用PID控制,可以保證系統(tǒng)的精度。
使用積分分離方法后顯著降低了被控變量的超調(diào)量并縮短了過(guò)渡時(shí)間,使調(diào)節(jié)性能得到改善。
3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2、圖3、圖4所示。
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口。它作為應(yīng)用和實(shí)際設(shè)備之間的軟件層,為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。對(duì)于應(yīng)用程序,硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù),讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù),檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。用到的結(jié)構(gòu)如下:
設(shè)備打開(kāi)的時(shí)候就會(huì)調(diào)用dcmotor__open函數(shù)進(jìn)行申請(qǐng)中斷號(hào)。帶內(nèi)存管理的單元的地址映射,設(shè)置B端口的2、3引腳為PWM輸出,端口D配置為電機(jī)使能剎車制動(dòng)引腳。
以下所有的函數(shù)都是在ioctl()中實(shí)現(xiàn)的。在Dcmo-tor_STart里調(diào)用timer0_2_3_start(),設(shè)置timer0為接收兩路電機(jī)的碼盤(pán)信號(hào),并檢測(cè)電機(jī)速度;timer2、timer3提供2路PWM輸出,并設(shè)置定時(shí)器自動(dòng)重載。具體實(shí)現(xiàn)如下:
Select_Speed可以動(dòng)態(tài)選擇要運(yùn)行的速度。它是用戶的接口,用戶可以調(diào)用該函數(shù)把速度值傳到驅(qū)動(dòng)從而控制電機(jī)。例如,在應(yīng)用程序中執(zhí)行ioctl(fdl,
timer0中斷是核心程序,它可根據(jù)PID的調(diào)節(jié)值來(lái)改變占空比。為了便于隨時(shí)改變占空比的值可定義兩個(gè)全局變量tmp2、tmp3,通過(guò)把它們的值寫(xiě)入TCMPB來(lái)改變占空比。
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在All_Forward、All_Back、All_Stop中,通過(guò)設(shè)置端口DO~3的高低電平,實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、停止;在Left_Curve、Right_Curve中,設(shè)置左右輪的旋轉(zhuǎn)方向,使兩輪旋轉(zhuǎn)方向不同,再根據(jù)差速在應(yīng)用程序中給定預(yù)定時(shí)間,以達(dá)到轉(zhuǎn)彎效果。
4 結(jié) 論
利用ARM和Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的閉環(huán)控制是可行的,閉環(huán)控制是控制論的一個(gè)基本概念。指作為被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端,并對(duì)輸入端施加控制影響的一種控制關(guān)系。在控制論中,閉環(huán)通常指輸出端通過(guò)"旁鏈"方式回饋到輸入,所謂閉環(huán)控制。輸出端回饋到輸入端并參與對(duì)輸出端再控制,這才是閉環(huán)控制的目的,這種目的是通過(guò)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而且可以充分利用ARM的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)其他智能模塊的擴(kuò)展。
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