基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周邵云，丁 昊，國 正（合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

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基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周邵云，丁 昊，國 正
（合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)機(jī)械工程系，安徽宣城，242000）

摘要：移動(dòng)機(jī)器人是近年來研究的熱點(diǎn)，針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)自由度多，可靠性和實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，提出了一種基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。利用多借點(diǎn)連接方式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)，將其他設(shè)備和多個(gè)機(jī)器人連接組成機(jī)器人控制系統(tǒng)，以控制芯片ARM Cortex-A9和STM32F407為基礎(chǔ)，將開源操作系統(tǒng)植入到開源嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)分布式上位機(jī)控制軟件和下拉機(jī)程序，設(shè)計(jì)了基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式移動(dòng)機(jī)器人的控制。該分布式移動(dòng)機(jī)器人軟硬件開源、性能高、成本低、具有很好的可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：分布式；移動(dòng)機(jī)器人；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1　移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文采用兩級(jí)主從分布控制設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人，通過模塊化思想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多模塊劃分，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的MCU和自治能力，具有較強(qiáng)的主控能力，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)。采用基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有易維護(hù)性、靈活性和可擴(kuò)展性的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)優(yōu)點(diǎn)機(jī)器人的層次體系結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)要求，采用兩級(jí)主從分布式控制方式，將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，可分為主控系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。

1.1主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)規(guī)劃、決策和人機(jī)交互功能，通過 CAN總線通信接口來協(xié)調(diào)和控制各個(gè)子模塊系統(tǒng)。選用ARM Cortex-A9開發(fā)板為主控系統(tǒng)核心板，可以構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)，擴(kuò)展其他功能模塊，減少開發(fā)成本和周期。ARM Cortex-A9開發(fā)板具有JTAG、USB Host接口和串口等，方便與PC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)交叉開發(fā)調(diào)試，提供的LCD接口，可以驅(qū)動(dòng)7寸的觸摸板液晶屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。采用帶矩陣鍵盤矩陣的鍵盤管理芯片CH451，提供終端輸出和低功耗睡眠，支持8x8矩陣鍵盤掃描，節(jié)約I/O口資源，MCU只需要控制兩根信號(hào)線。

1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用來驅(qū)動(dòng)車體和執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)實(shí)現(xiàn)直行、退后、原地轉(zhuǎn)和差速轉(zhuǎn)向。又低下頭采用STM32F407開發(fā)板，該開發(fā)板具有128KB的閃存、8K RAM、USB接口、12位ADC、定時(shí)器等，叫其他傳統(tǒng)的微處理器來說，效率和功率都得到了較大的提升。STM32F407開發(fā)板提供了較多的I/O口和OLED連接顯示信息，和多個(gè)I/O口中斷口和各類采集環(huán)境信息，提供了SPI接口與CAN中線模塊進(jìn)行首發(fā)數(shù)據(jù)，提供了多個(gè)定時(shí)器，可以產(chǎn)生PWM對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.3信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)用來感知環(huán)境信息，為主控系統(tǒng)提供當(dāng)前周圍的環(huán)境信息。信息采集系統(tǒng)統(tǒng)一采用STM32F407作為系統(tǒng)核心，其中包括超聲波、紅外線和加速器等傳感器，是系統(tǒng)閉環(huán)控制的重要組成部分。通過CAN總線通訊方式，可以接收系統(tǒng)自主控制命令和數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)采集的信息進(jìn)行分析處理。

2　移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件是該系統(tǒng)平臺(tái)的核心，其直接關(guān)系到移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和魯棒性?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux平臺(tái)，機(jī)器人主機(jī)通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，PC機(jī)與機(jī)器人主機(jī)通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，通過運(yùn)行節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。下位機(jī)通過對(duì)協(xié)議棧的移植，接收并分析上位機(jī)的數(shù)據(jù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

2.1系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人通過上位機(jī)來計(jì)算移動(dòng)機(jī)器人的位姿、里程和各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息，裝有嵌入式Linux系統(tǒng)的PC機(jī)用于人機(jī)之間的交互，機(jī)器人主機(jī)使用基于Linux內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)Ubuntu14.10，將base移植到嵌入式系統(tǒng)中去，完成對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，移動(dòng)機(jī)器人所有的節(jié)點(diǎn)都分布于PC機(jī)和機(jī)器人主機(jī)上，機(jī)器人主機(jī)與PC機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊模式。

機(jī)器人主機(jī)上的節(jié)點(diǎn)主要用于對(duì)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制，controller用于PC機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)布運(yùn)動(dòng)命令，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換/odom坐標(biāo)和/base_link坐標(biāo)間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布移動(dòng)機(jī)器人的里程信息。Feedback_data用于手機(jī)下位機(jī)所發(fā)布的錯(cuò)誤信息和速度信息并處理這些信息，然后將處理后的信息發(fā)布到/joint_states主題上。Robot_ state_publisher用于接收base_controller與joint_states_ publisher發(fā)布的信息計(jì)算出機(jī)器人的坐標(biāo)信息與狀態(tài)并發(fā)布。Joint_state_publisher用于發(fā)布關(guān)節(jié)狀態(tài)信息。Telop用于人機(jī)互動(dòng)，rviz用于監(jiān)控移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)上所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和軌跡。機(jī)器人主機(jī)是上位機(jī)的主體部分，是控制系統(tǒng)的核心，用于完成大部分的控制功能。

2.2系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的主要作用是接收并解析上位機(jī)發(fā)布的指令，從而得到各個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)指令，并生成對(duì)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)，及時(shí)的接收并反饋錯(cuò)誤信息和速度信息。下位機(jī)軟件在STM32F407的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，主要基于上位機(jī)的驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和控制信號(hào)，下位機(jī)軟件在將實(shí)施嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核移植到STM32F407開發(fā)板的基礎(chǔ)上，應(yīng)采取以下操作來保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：

（1）STM32F407通過定時(shí)器來獲取輸入，從而得到驅(qū)動(dòng)器反饋的脈沖信號(hào)并計(jì)數(shù)；

（2）STM32F407采用中斷的工作模式，接收并解析上位機(jī)指令，產(chǎn)生相應(yīng)的反饋速度信息和控制信號(hào)；

（3）當(dāng)接收到反饋請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)卡將脈沖計(jì)數(shù)值發(fā)送給上位機(jī)，入股產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，就關(guān)閉STM32F407控制信號(hào)輸出，并將錯(cuò)誤代碼寫入網(wǎng)卡并發(fā)送緩存。

3　結(jié)束語

本文提出了一種基于分布式的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，詳細(xì)闡述了其軟硬件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)分析，設(shè)計(jì)并經(jīng)過優(yōu)化的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制過程中影響很小，有效的解決了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中時(shí)滯對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。該移動(dòng)機(jī)器人基于開源機(jī)器人系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，并將嵌入式系統(tǒng)融入其中，具有性能高、成本低、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，為移動(dòng)機(jī)器人的后續(xù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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Control System Design and realization based distributed mobile robot

Zhou Shaoyun，Ding Hao，Guo Zheng
（Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng Anhui，242000）

Abstract：The mobile robot is the focus in recent years，and more freedom for the robot system，and realtime requirements of high reliability characteristics，is proposed based on distributed mobile robot control system.Multi-point connection by way of the network topology agencies， and other devices connected to form a plurality of robots robot control system for controlling the ARM Cortex-A9 chip and STM32F407 based on the open source operating system implanted in the open source embedded system design distributed PC control software and drop-down program， designed based distributed control system for mobile robot set up to realize the distributed mobile robot control.The open-source distributed mobile robot hardware and software， high performance， low cost，with good scalability，real-time and stability.

Keywords：distributed; mobile robots;control systems;Design and Implementation