基于ARM的自主移动机器人控制系统设计

能力强。其控制系统核心采用低功耗、主频高达 203MHz 的 ARM920T 架构微处理器 s3c2410，实现了运动控制、多个声纳距离 传感器与 CCD 图像采集对外部信息采集和上位机无线远程监控等
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图 1 履带式机器人机械结构 1.关节 2.履带结构 3.内置 MAXON 电机 4.内置控制系统
机，采用并联差动转向方式，前后节分别由一个 MAXON 电机控 为 EPM7512AET144-10，它集成了 10 万个逻辑门、512 个宏单元
制其上下俯仰等动作，可以进行精确地左右摆头和上下俯仰等动 和 120 个 I/O 口资源，可以把数据缓存、电机控制、声纳传感器距
作，能适应攻角为 700 以内的大障碍，对（±20）mm 以内的凸凹地 离采样、逻辑转换等全部集成到 CPLD 中，节省大量的分立元件
图 3 ARM 与 CPLD 的总线通信实现框图
后保存在数据锁存器当中，待 ARM 来读取。
3.3 运动控制
CPLD 内部对 SRF04 回响脉冲信号脉宽采样的 Verilog 程序
电压模拟信号在传输过程中容易受干扰，长距离传输会衰 流程图，如图 5 所示。寄存器 2 代表障碍物最小距离信息，计数器 2
的功能进行了设计实现。
cm。SRF04 声纳模组工作原理：给予一个 10μs 脉宽的触发信号
D0-D15 data
ARM
/RD
（s3c2410） /WR
输入 输出 控制 逻辑
data_t
nGCS1
地址 /CS
A0-A11 address 译码器
clk
CPLD(EPM7512)
运动 控制 模块
声纳距离 采集模块
功能，可以很好的实现机器人自主移动。
2 机械结构
3 控制系统总体设计
控制系统核心采用 ARM920T 架构微处理器 s3c2410，这是
普通的轮式机器人只能适应其轮子半径以内的障碍，普通 一款由某公司推出的低价格、低功耗应用推出的 32 位 RISC 指
履带式机器人多数也只能适应 300 以内的攻角，且垂直越障高度 令集处理器，主频最高可达 203MHz，外接 64M 的 nandflash 闪存
机械设计与制造
第6期
160
Machinery Design ＆ Manufacture
2011 年 6 月
文章编号：1001-3997（2011）06-0160-03
基于 ARM 的自主移动机器人控制系统设计 *
陈剑斌 田联房 王孝洪 （华南理工大学 自动化学院，广州 510640）
Design of control system for autonomous mobile robot based on ARM
制模块中，实现在城市街道、楼梯、斜坡、门栏、壕沟等复杂环境下 的使用，具有集成度高，硬件可裁剪等优点。
＊来稿日期：2010-08-06 ＊基金项目：国家 863 计划资助项目（2008AA04Z213），广东省科技攻关项目基金资助（2005B10201006）， 广州市科技攻关重点项目（2007Z2-D0031）
CHEN Jian-bin，TIAN Lian-fang，WANG Xiao-hong （School of Automation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）
【摘 要】自主移动机器人是近年来研究热点，基于三节履带式机器人机械结构，提出了以 ARM 架构微处理器 s3c2410 为核心、多传感器的自主移动机器人控制系统，采用了 Linux 嵌入式操作系统作 为 S3c2410 软件开发平台。微处理器外部扩展数字电路采用了 CPLD 来实现，减少了外围分立元件的 使用及 PCB 面积，可靠性高、抗干扰能力强；基于 Verilog 语言对 CPLD 进行了设计与实现。ARM 与 CPLD 采用 ISA 总线方式通信，整个控制系统具有良好的可扩展性、硬件可裁剪性。通过爬楼梯、避障等 实验，验证了机器人具有良好的自主移动性能。
上位机 RS232 无线串
（人机交互）
口通信
无线串 CCD 口通信 摄像头
RS232
USB
核心处理器 ARM（s3c2410）
ISA 总线 硬件接口核心器件 CPLD（EPM7512）
光耦隔离+线路驱动
光耦隔离+线路驱动
负担，由此选用了具有过流保护、正反转控制、刹车、模拟信号调 速、（10~20）kHz 的脉宽调制 PWM 调速、霍尔速度闭环控制等功 能的直流无刷电机驱动器。控制过程如下：CPLD 接受到 ARM 电 机控制信号后，经地址译码片选，数据进入电机控制模块中，产生脉 宽调制 PWM、刹车、启停等信号，经 74HC244 线路驱动，TLP181 光 耦隔离，再经 MC1413 电流驱动进入直流无刷电机驱动器，驱动器 采用霍尔闭环控制方式驱动电机工作。
中图分类号：TH16，TP242 文献标识码：A
1 引言
自主移动机器人是近年来研究热点，现今大多数移动式机器 人存在越野能力差、自主性不够强、控制系统速度低或者占用空间
的行走、越障和作业等功能，越野能力强，可以适应各种恶劣的外
部环境。
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大、功耗高、处理数据有限等缺点，满足不了高性能小型自主移动机
器人的需求。研究的履带式机器人采用三节履带式行走机构[1]，越野
很小。研究的履带式机器人机械结构，如图 1 所示。采用三节履带 和 64M 的 sdram 内存，支持 USB、SPI、I2C、UART 等总线扩展方
式行走机构，长宽高分别为（980 ×250×100）mm，在机器人本体较 式，共有 117 个 I/O 口和 24 路外部中断，满足移动机器人控制系
小的情况下，选用了某公司 80W 大功率且体积小的直流无刷电 统的需求。硬件接口采用了某公司的 CPLD 作为核心器件，型号
电机速度采用脉宽调制 PWM 控制方式，其 Verilog 程序流 程图，如图 4 所示。寄存器 1 代表分频系数，CPLD 的 CLK 输入时 钟频率是 10M，PWM 输出频率是 20K，因此分频系数是 50，锁存 器 1 代表脉宽调制 PWM 的占空比信息，若占空比是 50%，则锁 存器 1 的值为 25。首先，当时钟信号 CLK 上升沿到来时，把从 ARM 接受到得脉宽调制 PWM 数据存入锁存器 1，计数器 1 加 1， 当计数器小于锁存器 1 时，PWM 输出管脚置为高电平；当计数器 1 大于锁存器 1 时，PWM 输出管脚置为低电平。然后，当计数器 1 小于寄存器 1 时，退出程序，等待下次 CLK 上升沿触发；当计数 器 1 大于等于寄存器 1 时，计数器 1 清 0，表示一个周期脉冲完 成，退出程序，等待下次 CLK 上升沿触发，产生一个新的脉冲。
图 4 脉宽调制 PWM 流程图
两端都输出数据受影响，接收到 ARM 数据之后，经片选进入运动 3.4 外部环境信息采集
控制模块或声纳距离采样模块，逻辑转换输出控制信号。当 ARM 3.4．1 声纳传感器距离采样
从 CPLD 中读数据时，data 作为输出端口，经地址线片选，数据从运
声纳传感器是机器人常用的障碍物测距模块，价格便宜，工
减，影响电机稳定工作，而电流模拟信号需要进行电压-电流的转 代表实际障碍物距离信息。首先，当时钟信号 CLK 上升沿到来时，
开始（clk 上升沿）
向锁存器 1 发送 PWM 脉宽数据
计数器 1 加 1
计数器 1>锁存器 1？ Y
N 输出高电平 输出低电平
计数器 1>=寄存器 1？ N
Y 计数器 1 清 0
ARM 通过双向数据传输总线读写 CPLD，当 ARM 向 CPL使 data 信号为高阻态[4]，避免 ARM 和 CPLD
......
......
#1(PWM 刹车等) #8(PWM 刹车等) #1(触发及回响脉冲) #1(触发及回响脉冲)
后，产生一个 40kHz 的超声波，当超声波投射到障碍物而反射回 来时，SRF04 输出一回响脉冲信号，通过计算触发信号和回响信 号间的时间差，来判定与障碍物的距离。控制过程如下：CPLD 接 受到 ARM 检测信号后，产生 10μs 的触发脉冲，经 74HC244 线路 驱动和 TLP181 光耦隔离，触发 SRF04 工作，SRF04 返回一个脉 冲宽度与距离成正比的回响脉冲信号。CPLD 对回响信号处理之
动控制模块或声纳采集模块输出给 ARM。硬件描述语言 Verilog 语 作原理简单。声纳是利用声音在空气中传播速度和传播时间计算
法灵活、易懂、与 C 语言非常接近，可描述顺序执行和并行执行的 出与障碍物距离[3]。选用了 8 个 SRF04 声纳测距模组，均匀分布
程序结构。通过 QUARTUSⅡ开发平台，采用 Verilog 语言对 CPLD 在机器人中间一节的左、右、前三个方位，测距范围在（3~300）
关键词：自主移动机器人；多传感器；控制系统；ARM；CPLD 【Abstract】Autonomous mobile robot is a new hot in recent years.A control system for autonomous mobile robot is proposed based on the mechanical structure of three tracked robot using ARM microproces－ sor S3c2410 as core with multi-sensors.Embed OS-Linux is adopted as a development platform for S3c2410 software.And the external expended digital circuits of microprocessor are realized by CPLD which program is designed by Verilog HDL，which reduces the use of external discrete components and PCB area，with high reliability and anti-interference ability.ARM communicates with CPLD by ISA bus，so the control sys－ tem is of well scalability and pruning of hardware.The robot was tested by experiments such as climbing stair，avoiding obstacle，etc.to be good with autonomous mobility. Key words：Autonomous mobile robot；Multi-sensor；Control system；ARM；CPLD