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基于ARM的嵌入式服务机器人控制器的研究

• 1 引言
  随着人口老龄化进程的加快，更多老年人，尤其是地震和疾病致残的残疾人，都需要照顾。基于此，这里提出一种基于ARM的嵌入式服务机器人控制系统设计。该服务机器人的控制系统是机器人的神经中枢，因而其设计是机器人研究的核心。该控制系统通常以MCU、 DSP等为核心，采用上、下位机二级分布式结构。其中上位机一般为PC机，下位机为单片机或DSP等微控制器。但随着移动机器人的智能化，控制方法的发展，所需计算量增大，一般的单片机等处理器很难完成控制要求。而基于ARM的嵌入式服务机器人的控制器采用分层与模块化结构，充分体现可扩展性、可移植性的设计原则．同时具有低成本、低功耗、体积小巧、可靠性高、智能化高以及通用性等特点。

  2 系统整体结构设计
  图1为嵌入式控制系统的软硬件层次结构。

  

  嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积，功耗要求严格的专用计算机系统。嵌入式系统总体可划分为硬件和软件两部分。硬件由微处理器和外围的接口电路组成，同时还包括传感器及驱动器接口和被控对象(机械装置)；而软件一般由实时操作系统及其运行的应用软件构成。其应用软件的功能层由基于RTOS的应用程序组成，用来控制被控对象。

  3 系统硬件设计
  服务机器人控制系统的硬件平台设计至关重要。首先它是用户控制逻辑的具体执行者，服务机器人的各种控制功能必须通过硬件实现；其次它也是实时控制系统软件移植和运行的硬件环境。这里采用部件模块化，接口标准化，互换性、扩展性工字电感器好，可靠性高的硬件设计原则。
  服务机器人控制系统主要用于实现控制服务机器人的导航、启动、停车、运行控制、路径规划、安全监控、远程控制计算机通讯及语音识别等功能。该控制系统主要由主控、导引、驱动、通讯、安全与辅助、语音识别、液晶触摸屏以及电源管理等单元组成。图2为其功能结构框图。

  

  嵌入式处理器是整个硬件系统的核心元件，其性能好坏直接决定整个系统的运行效果，所提供功能的强弱直接决定嵌入式应用的适应范围和开发复杂度。嵌入式处理器一般具备以下特点：支持实时多任务操作系统；具有强存储区保护功能；处理器结构可扩展；功耗低。图3为基于ARM9的嵌入式系统的服务机器从主控制器模块结构。

  

  选用三星公司ARM9系列的S3C2410处理器作为服务机器人的控制CPU，在嵌入式系统μC／OS-II下实现机器人控制。S3C2410处理器采用 ARM920T内核，5级流水线指令结构，片内锁相环，内部时钟可达200 MHz，因此可用来进行复杂控制算法，提高控制精度。S3C2410有117个I／O口和24个外部中断源，内部具有丰富的接口控制器，如：USB控制器、DMA控制器、UART控制器、I2C控制器等，这样可简化外围电路，同时其内部时钟可达200 MHz，高性能指令集及可与C语言交叉汇编使其能完成复杂运算，提高服务机器人控制的实时性。
  ARM处理器模块通过两个RS-232串口分别与传感器模块、伺服控制模块连接，RS-232串口均丁作在中一体成型电感器断模式下，以保证系统的实时性。伺服控制模块与传感器模块均基于TI公司的TMS320LF2407片状电感器型DSP，伺服模块可同时控制4路直流伺服电机，传感器模块可接24路超声传感器和24路红外传感器，模块在设计时充分考虑一体成型电感到降低成本和功耗，同时注重其实时性和可靠性。
  人机交互模块采用液晶(LCD)触摸屏及语音交互接口。S3C2410内置有液晶控制器，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，这里选用LQ080V3DG01型8英寸640x480 TFT液晶屏，该液晶屏上配有4线电阻式触摸屏，用于检测屏幕触摸输入信息，有利于提高人机交互的友好性；而语音识别南凌阳公司的SPCE061A完成，该器件是一个16位结构的高集成的微控制器，内部集成有MCU、A／D转换器、D／A转换器、RAM、ROM。具有较高运算速度的16x16位的乘法语音和内积运算指令，CPU时钟最高可达49 MHz。系统支持10个中断向量及14个中断源，具有较强的中断处理能力，适合实时语音处理。具有双通道10位A／D转换器方式的音频输出功能，配置带自一体成型电感动增益控制功能(AGC)的麦克风输入方式，为语音处理带来极大便利。图4为语音识别模块硬件结构。

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