基于激光雷达避障的机器人控制系统设计

　　移动机器人是一种能够感知外部环境，在有障碍物的环境中能够实现动态决策与规划，从而完成避障等多种功能的综合系统。机器人系统通常分为机构本体和控制系 统两部分，控制系统的作用是根据用户的指令对机构本体进行操作和控制。随着机器人的智能化水平越来越高，控制器要有方便、灵活的操作方式，以及多种形式的 控制方式和高度可靠性，还要有很高的实时性。

　　为了保证系统的实时性，简化控制系统软件的设计，有必要在控制系统引入嵌入式操作系统。本设 计将嵌入式技术与机器人技术相结合，利用ARM作为硬件平台并移人μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，开发了具有多线程、多任务管理的控制终端。嵌入式主 控制器ARM是整个机器人控制系统的核心，主要完成环境感知、组织管理、总体任务分配。嵌入式主控器作为机器人的运算层，一方面作为控制上位机，可以通过 串口与下位机伺服控制系统通信，从而完成机器人的运动控制;另一方面还提供了与遥控操作端或用户端的无线通信接口。本文设计的机器人控制系统可应用于日常 生活、足球机器人以及其他科学探索领域。

　　1 系统组织架构与硬件设计

　　设计时考虑到机器人在体积、质量等方面的限制，以 及要满足功耗低，实时性高，性能优越的特点，选择合适的软硬件结构及有效的控制模式是整个设计过程的关键。

　　1.1 系统总体架构

　　整 个机器人控制系统由嵌入式主控制器、伺服控制模块、无线通信模块和传感检测模块组成。控制系统的总体架构如图1所示。

　　按功能划分，该控制系统分为上下两层。由实现任务管理、运 动轨迹生成、定位的上层控制系统，以及完成机器人伺服控制、传感器信息采集的下层控制系统组成。上层控制系统是整个控制系统的核心控制层，它有两种控制实 现方式：一种是独立运行模式，另一种是遥控或远程实时控制模式。独立运行模式有自己的运行参数，即上层控制系统根据激光雷达的信息传递到环境建模模块，产 生环境地图并产生避障算法所需信息，控制器根据避障模块信息产生机器人本体速度和方向信息，传递到运动控制器。在运动控制底层程序定义了一系列程序，运动 控制器通过解释上层控制系统传递过来的信息并执行相应程序，从而达到机器人控制的目的，实现实时避障。遥控器或远程实时控制模式是通过无线通信单元接收用 户端或遥控端发出的命令，实现对机器人的实时控制。系统的控制实现方式如图2所示。

　　1.2 主控制模块

　　主控制模块采用 SAMSUNG公司16/32位RISC处理器S3C4480作为控制器。S3C4480功耗低，有多种电源供电方式，有多种外部存储器访问，新的总线体 系结构(SAMBA)，速度可达132 MHz。主控模块使用Hynix公司的HY57V281620(SDRAM)以及SAM-SUNG公司的Nand-Flash芯片K9F2808U作为存 储器。为了增大数据吞吐能力，选取了2片SDRAM构成32位地址宽度。S3C4480使用ARM7TDMI核，它满足μC/OS-Ⅱ正常运行的所有条 件，设计时S3C4480移入μC/OS-Ⅱ操作系统，将加快处理器的应用和开发，而且还能提高系统的实时性。通过将系统的功能划分成按不同优先级调度的 任务，实现对机器人的多任务控制，主控制模块中的路径规划任务采用栅格法。