1、基于機器人運動控制系統軟件 設計基于機器人運動控制系統軟件設計摘要：移動機器人的運動控制主要是完成移動 機器人的運動平臺，提供一種移動機器人的控制 方式。本文通過對移動機器人的研究，實現了基 于渡越時間法的超聲波測距模塊設計，為機器人 提供簡單方便的障礙物距離檢測。本文主要完成 對主控板控制器軟件設計、電機驅動控制器軟件 設計和超聲波測距軟件的設計，使開發系統能夠 服務于移動機器人研究的通用開發平臺。關鍵詞：機器人；運動控制；軟件設計；超聲 波測距中途分類號：TP 9文獻標識碼：B0引言隨著計算機、網絡、機械電子、信息、自動化 以及人工智能等技術的飛速發展，移動機器人的 研究進入了一個嶄新的階

2、段。同時，太空資源、 海洋資源的開發與利用為移動機器人的發展提 供了廣闊的空間。目前，智能移動機器人，無人 自主車等領域的研究進入了應用的階段， 隨著研 究的深入，對移動機器人的自主導航能力，動態 避障策略，避障時間等方面提出了更高的要求。 地面智能機器人路徑規劃，是行駛在復雜，動態 自然環境中的全自主機器人系統的重要環節， 而 地面智能機器人全地域全自主技術的研究， 是當 今國內外學術界面臨的挑戰性問題。智能移動機器人是一類能夠通過傳感器感知 環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向 目標自主運動，從而完成一定功能的機器人系 統。移動機器人技術研究綜合了路徑規劃、導航 定位、路徑跟蹤與運動

3、控制等技術。涉及到包括 距離探測、視頻采集、溫濕度以及聲光等多種外 部傳感器，作為移動機器人的輸入信息。移動機 器人的運動控制主要是完成移動機器人的運動 平臺，提供一種移動機器人的控制方式。 性能良 好的移動機器人運動控制系統是移動機器人運 行的基礎，能夠服務于移動機器人研究的通用開 發平臺。移動機器人技術研究綜合了多學科領域的知 識，關鍵技術可分為：路徑規劃、導航定位、路 徑跟蹤與運動控制技術。路徑規劃又可分為全局 和局部路徑規劃。全局路徑規劃是根據移動機器 人總體任務進行路徑規劃，將總體路徑任務分 解，并建立全局地形數據庫；局部路徑規劃是根 據全局規劃分解的子任務，結合移動機器人當前 狀態

4、信息，實時規劃可行路徑；導航定位技術確 定移動機器人在全局地圖中的位置， 并實時得到 機器人與路徑跟蹤的相對位置關系，其關鍵技術 是多傳感器信息處理與數據融合技術。路徑跟蹤 與運動控制技術的任務是控制移動機器人跟蹤 局部規劃給出的路徑，結合導航定位系統得到機 器人本身狀態信息與道路信息，完成航向和速度 控制。移動機器人的路徑規劃、導航控制以及路 徑跟蹤與運動控制技術是相互關聯的，任何一個 系統的不完善都會導致整體性能的下降。1主控板軟件設計主控板硬件完成模塊管理、設備通訊及機器人 定位脈沖檢測等內容。在實際應用中，主控板硬 件還負責超聲波測距的軟件管理。主控板硬件中只有主控板控制器需要進行軟件

5、設計。主控板控制器TMS320LF2407A的主 要任務是超聲波測距的軟件設計管理和其他一 些基本設置內容，包括電機碼盤的正交編碼脈沖 檢測。初始選定TMS320LF2407A作為主控板 控制器是考慮到此控制系統可以作為以后機器人應用的平臺，可以在 TMS320LF2407A 里嵌 入實時系統，提升系統性能，方便接口開發。主控板控制器的軟件設計內容包括模塊初始 化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測和超聲波測距 軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼 脈沖檢測等內容。圖1主控板控制器程序流程 圖。開始初始化超聲波測距軟件中斷服多程序圖1主控板控制器程序流程圖復位向量地址為程序入口，然后程序進行初始

6、 化。初始化內容包括擴展方式、溢出方式、 DARAM、倍頻、JTAG等基本配置。另外還有 使用的相關I/O的設置、程序使用相關定時器 的設置、程序使用相關中斷的設置和串口通訊的 相關設置。這些配置都是控制器使用的基本配置 流程。初始化之后會開啟相關的中斷程序，隨后 進入超聲波測距程序，并一直循環。中斷服務程 序處于就緒狀態，一旦有中斷發生，中斷服務程 序立即執行。在TMS320LF2407A的所有程序中，需要對 其串口的數據發送和接收程序做說明。 異步通信 使用三條線（地線、發送線、接收線）連接采用RS 232格式的終端。發送各位依次為一個起始位、 l8個數據位、可選的一個奇偶校驗位、12個

7、停止位。因此串口通訊能夠傳輸的最大的數據單 位為8位，即一個字節。在設計中控制器和各終 端會有各種類型的數據交流，如整形數據和浮點 數據，因此需要對串口發送和接收的數據進行數 據轉換。四個字節的單精度浮點數的數據傳輸，因為串 口每次最多只能傳輸一個字節，所以只需要把每 個四字節浮點數的存儲數據轉換成字節形式發 送即可，設計中采用強制轉換的方式完成。 數據 接收的時候也可以采取同樣的處理方式，反向轉 換即可。另外在數據轉換上也可選擇共用體來實 現，共用體的實質和上面講述的類型轉換是一樣 的，只是共用體的各個數據類型占用的存儲空間 是共同的，對于這個存儲空間，共用體定義的任何結構類型變量都可以調用

8、。上位機里的串口數 據處理采用的是這種方法，十分方便。對于正交編碼脈沖的檢測，TMS320LF2407A 具有獨立的正交編碼脈沖單元，只要對單元寄存 器進行簡單設置即可得到機器人驅動輪的運行 方向和距離參數。TMS320LF2407A將這些數據 通過串口發送到上位機，由上位機建模，對數據 加以處理后得到機器人的位姿信息。2電機驅動軟件設計電機驅動軟件完成電機的驅動控制和閉環調 速。驅動控制使用的是電機驅動主控芯片 STC12C4052AD 的片內PWM外設單元，生成 的PWM信號經過電機驅動芯片驅動電機，可以 通過調節PWM占空比來調節加載在電機上 24VDC電壓的占空比，從而調節電機轉速。P

9、WM占空比由片內8位的PWM控制寄存器進 行控制，該寄存器取值范圍為0-255,分別代表 PWM信號占空比從1到0的連續變化。同時 STC12C4052AD 接收電機光電碼盤的脈沖信 號，利用片內時鐘計算出電機運行速度，通過速度控制算法完成電機的閉環調速。電機驅動及閉環調速軟件算法流程圖如圖 2 所示。開始初始化中斷服務程序.喂狗、循環圖2電機驅動控制器程序流程圖如上圖所示，程序開始后進行初始化，初始化 包括程序使用相關變量定義、10ms定時器0、 定時器l及串口、脈沖計數用外中斷0、看門狗 等寄存器的設置和電機狀態參數（剎車、速度）等 的初始化。然后進入循環狀態，循環過程中更新 看門狗寄存器

10、的相關標志位。速度檢測和閉環調 速程序分別在外中斷0和定時器0中完成。中斷 服務程序也就包含了外中斷0、定時器0以及串 口中斷服務程序。外中斷0是電機光電碼盤的脈沖檢測外設，所 有電機光電碼盤的脈沖都會引起外中斷 0的中 斷。碼盤脈沖測速的原理是計算STC12C4052AD 單位定時時間內的脈沖數目， 因此外中斷0的中斷服務程序的內容就是對脈 沖計數。而上位機設定的目標電機轉速也會被轉 換為此單位定時時間內的脈沖數目。 可以定義一 個全局變量，每次進入外中斷0的中斷將該變量 加1即可。另外為防止程序干擾，應該對計數值 加以修正，如小于0的時候等于0,大于某一設 定值的時候等于某一設定值等。3超

11、聲波測距軟件設計設計中的超聲波測距軟件利用了常用超聲波 測距的渡越時間法。渡越時間法的工作原理為發 射超聲波的同時開始計時，接收到超聲波后停止 計時，記錄超聲波的傳輸時間為t,那么超聲波 測距模塊和障礙物的距離為s由下式表示。S=v*t/2其中v為超聲波在空氣中的傳播速度。由下式 表不。v = 33L4x J1 +77273 k 33L4 + 0.607Z(m/s)其中，T為空氣的華氏溫度。在常溫下，超聲波的傳輸速度隨溫度變化并不 太大，而且超聲波的傳輸時間都為毫秒級，因此 影響不是很大。不過也可以為超聲波測距模塊添 加一個溫度校正模塊，檢測環境溫度，再在主控 板控制器計算超聲波速度時進行修正

12、。現在市場 已有集成溫度檢測器件，也很方便。超聲波測距的主要流程為發射超聲波以后，如 果有反射超聲波信號返回，則由外中斷0接收計 算距離。在超聲波信號發射的同時打開定時器 3, 定時時間為最大超聲波測量距離所需的傳輸時 間，如果在定時器3中斷的時候還沒有外中斷0 中斷事件發生，即沒有反射超聲波信號返回，那 么在進入定時器3中斷的時候關閉超聲波返回 中斷和超聲波傳輸時間定時器1,進行下一次的 超聲波測距循環。程序流程圖如圖 3所示。圖3超聲波測距程序流程圖外中斷0接收到超聲波測距信號返回，則進入 外中斷0服務程序進行測距程序處理。若沒有超 聲波信號返回則將發生定時器 3的定時中斷，說 明等待超時

13、，設定測距范圍內無障礙物。兩種情 況都將引發等待標志位的改變，程序跳出等待狀態，更改工作超聲波測距模塊，進行下一個超聲 波模塊的測距處理。外中斷0和定時器0的程序流程圖如圖4所 示。A外中斷0程序流程B定時器3程件流程圖圖4外中斷0和定時器3程序流程圖圖中A為外中斷0程序流程圖。進入中斷服 務程序表示有超聲波信號返回。程序開始關閉所 有系統的可屏蔽中斷和測距使用外設， 讀取定時 器l計數值，計算障礙物距離。更改程序循環標 志，然后中斷服務程序返回。B為定時器3的程 序流程圖。進入中斷服務程序表示測距范圍內無 障礙物，因此只用關閉系統的可屏蔽中斷和測距 使用外設，直接更改程序循環標志，退出中斷服 務程序即可。設置定時器1不產生中斷，而設