- 1 - 基于 第 1 章 緒論 人們對機(jī)器人的幻想與追求已有 3000 多年的歷史。當(dāng)時人類總希望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類完成各種工作。西周時期，我國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的機(jī)器人。公元前 2世紀(jì)，亞歷山大時代的古希臘人發(fā)明了最原始的機(jī)器人 自動機(jī)，它是以水、空氣和蒸汽壓力為動力的會動的雕像，它可以自己開門，還可以借助蒸汽唱歌。隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的發(fā)展，那么按現(xiàn)代的定義究竟什么是機(jī)器人呢？ 1987 年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行 了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)”。 1988年法國的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人是指能根據(jù)傳感器信息實現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)”。 我國科學(xué)家對機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機(jī)器”。 前中國工程院院長宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是 20世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代最高意義上的自動化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的 發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，正引起國際上重新認(rèn)識機(jī)器人技術(shù)的作用和影響。 機(jī)器人是一種通過編程，可以自動完成一定操作或移動作業(yè)的機(jī)械裝置?；蛘吒_切地說，有像人的上肢那樣高度靈活，能做復(fù)雜動作的機(jī)械。有視覺、聽覺等感覺功能，有識別功能、能行動的裝置。 國內(nèi)外機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 當(dāng)今世界各國以高新技術(shù)為代表的綜合國力的競爭日趨激烈。隨著機(jī)器人的發(fā)展誕生了一門跨多學(xué)科、綜合性技術(shù)很強(qiáng)的學(xué)科 機(jī)器人學(xué)，它廣泛涉及自動控制、計算機(jī)、電子技術(shù)、通訊、新材料、傳感器、人工智 能和機(jī)械工程等學(xué)科技術(shù)，特別是新一代計算機(jī)芯片處理速度的飛躍和人工智能技術(shù)的發(fā)展 為機(jī)器 - 2 - 人技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)勁動力?，F(xiàn)代機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì)中期，其技術(shù)背景就是計算機(jī)和自動化的發(fā)展以及原子能的開發(fā)利用。 隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。 80年代，將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱為智能機(jī)器人，這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研 究和應(yīng)用，而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深度和廣度發(fā)展的巨大空間，水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。將機(jī)器人的技術(shù)（如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等）擴(kuò)散和滲透到各個領(lǐng)域形成了各式各樣的新機(jī)器 機(jī)器人化機(jī)器。當(dāng)前與信息技術(shù)的交互和融合又產(chǎn)生了“軟件機(jī)器人”、“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”等名稱，這也說明了機(jī)器人所具有的創(chuàng)新活力。 競賽機(jī)器人作為機(jī)器人的一個重要分支越來越受到世界各國的重視。它一般以某個競賽主題為背景，通過發(fā)揮參賽者各種智慧和知識，設(shè)計制作 出具有一定功能和一定對抗能力的機(jī)器人。舉辦這樣的活動可以增強(qiáng)國民對機(jī)器人的了解，提高青少年的創(chuàng)新和動手能力。正因為如此，大凡機(jī)器人發(fā)展得比較好的國家都要舉辦一些類似的全國性的比賽。 競賽的主題和規(guī)則 總結(jié)以前比賽的經(jīng)驗以及參賽要求，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性、可移植性和可擴(kuò)展性，設(shè)計目標(biāo)是開發(fā)一套基于 高性能的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)。 機(jī)器人大賽比賽場地如圖 1和圖 2所示。馬來西亞的 88層、高 452米的 子塔樓 (當(dāng)今世界上最高的雙子塔，是吉隆坡市政中心最著名的標(biāo) 志性建筑。大賽的主題是比賽雙方各自以一組機(jī)器人搬運(yùn)聚苯乙烯積木模仿建造雙子塔及其周邊建筑。 比賽中每個隊需要設(shè)計制作一個手動機(jī)器人和至少一個自動機(jī)器人。手動機(jī)器人由一名參賽隊員手動操作手動機(jī)器人在外圍手動區(qū)將外圍的積木搬到己方的主塔上，每放上一個積木得 1分；自動機(jī)器人預(yù)裝好積木后從自動啟動區(qū) (圖中四方格 )出發(fā)將積木按自己策略通過規(guī)定的運(yùn)動區(qū)域和自己選擇的路徑放置到場地中間的三個柱子（橋墩）上，邊上的兩個橋墩上每放一個積木得 2分，最中間 - 3 - 的橋墩上每放一個積木得 3分。首先建成本隊所屬的雙塔之一和兩個“天橋”橋墩的 參賽隊，則實現(xiàn)了“竣工”，將獲得勝利。如果在計時 3分鐘時間到而雙方?jīng)]有隊伍完成“竣工”，則比較雙方各自所得分?jǐn)?shù)束判定勝負(fù)。賽場地面用 2設(shè)。 圖 1 場地投影圖 圖 2 場地平面圖 - 4 - 課題的研究內(nèi)容及主要工作 機(jī)器人技術(shù)是一門跨多門學(xué)科的高新技術(shù)，研究和發(fā)展機(jī)器人技術(shù)可以推動我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。機(jī)器人技術(shù)的核心是控制工程技術(shù)。本次課程設(shè)計論文出發(fā)點是在吸取以往機(jī)器人大賽經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)一套基于 參賽機(jī)器人的嵌入式 控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的參賽機(jī)器人控制平臺都是基于 8位或 16位的 了提高系統(tǒng)的高速實時性、可擴(kuò)展性和可移植性，本次課程設(shè)計論文目標(biāo)是在基于 32位微處理器平臺上設(shè)計制作的機(jī)器人能實現(xiàn)位置和姿態(tài)控制，并將其應(yīng)用于機(jī)器人路徑引導(dǎo)，使機(jī)器人能在靜止場景中實時高速完成預(yù)先選定的目標(biāo)任務(wù)。 本次課程設(shè)計論文的研究內(nèi)容是：嵌入式的控制平臺要能成功移植；系統(tǒng)具有多路信號的采集、存儲、處理和識別能力，并且接口要豐富，便于裁減和擴(kuò)展；軟件應(yīng)能實現(xiàn)預(yù)定的動作功能；能耗要低，電源容量要小；系統(tǒng)不僅對外界而且對自身信號環(huán)境要具有一定的抗干擾能力。 本次課程設(shè)計論文的主要工作有以下幾個方面： (1)采用低功耗、高性能的嵌入式 2位處理器作為核心代替以前常用的 制，為參賽機(jī)器人設(shè)計支持實時仿真調(diào)試的控制系統(tǒng)。 (2)對系統(tǒng)的任務(wù)模塊進(jìn)行了規(guī)劃，完成了行走驅(qū)動、工作提升、排障對抗三大功能子系統(tǒng)的設(shè)計。 (3)設(shè)計控制流程，實現(xiàn)對各功能子系統(tǒng)的控制調(diào)度管理。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括有：電機(jī)的選擇與控制； I/置及方向反饋模塊；機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制電路； 供電電源模塊等。 (4)設(shè)計傳感器接口和信號接口，如光電檢測、行程開關(guān)、紅外線等，使機(jī)器人能夠?qū)崟r感知賽場上的位置和狀態(tài)要素，并通過這些接口與其他控制單元構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (5)采用多傳感器對機(jī)器人協(xié)調(diào)控制并設(shè)計相應(yīng)的控制算法，對機(jī)器人的直線糾偏和轉(zhuǎn)彎算法進(jìn)行重點研究。 (6)設(shè)計制作機(jī)器人機(jī)構(gòu)，繪制制作控制系統(tǒng)的 理圖和電路板，對硬件電路和軟件進(jìn)行調(diào)試。 - 5 - 第 2 章 基于 嵌入式系統(tǒng) 計算機(jī)是應(yīng)數(shù)值計算的要求而誕生的。在計算機(jī)發(fā)展的早期，電子計算機(jī)技術(shù)一直是沿著滿足高速數(shù)值計算的道路發(fā)展的 。直到 20世紀(jì) 70年代，計算機(jī)在數(shù)值計算、邏輯運(yùn)算與推理、信息處理以及實際控制方面表現(xiàn)出非凡能力后，人們對計算機(jī)在通信、測控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域給予更大的期望。這些領(lǐng)域的應(yīng)用主要是直接面向控制對象，控制系統(tǒng)嵌入到具體的應(yīng)用體中而不以計算機(jī)的面貌出現(xiàn)，能在現(xiàn)場可靠地運(yùn)行，體積小，應(yīng)用靈活，突出控制功能，特別是對外部信息的捕捉與豐富的 I/此可以看出，滿足這些要求的計算機(jī)系統(tǒng)與滿足高速數(shù)值計算的計算機(jī)是不可兼得的。 嵌入式系統(tǒng) 通常把滿足海量高速數(shù)值計算的計算機(jī)稱為通用計算機(jī)系統(tǒng)；而把面向測控對 象，嵌入到實際應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機(jī)稱之為嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng) ( 際電氣和電子工程師協(xié)會 )對嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置 。從總體來說，通用計算機(jī)系統(tǒng)主要用于數(shù)值計算、信息處理，兼顧控制功能；而嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)主要用于控制領(lǐng)域，兼顧數(shù)據(jù)處理。在一個綜合系統(tǒng)中，會出現(xiàn)通用計算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)合，各自扮演不同的角色，共同完成系統(tǒng)任務(wù)。 國內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)普遍認(rèn)同的定義為：以應(yīng)用為中心、以 計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。 嵌入式系統(tǒng)的組成 一個典型的嵌入式系統(tǒng)主要由四個部分組成：嵌入式處理器 /微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)，如圖 3所示，其中的嵌入式微處理器和外圍硬件設(shè)備稱為硬件部分，嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件屬于軟件部分。在實際應(yīng)用中由操作系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件與硬件的交互，由應(yīng)用軟件控制系統(tǒng)的運(yùn)作和行為 。 - 6 - 圖 3 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式操作系統(tǒng)并不是必須的。當(dāng)需要運(yùn)行多任務(wù)且內(nèi)存分配復(fù)雜，系統(tǒng)需要大量協(xié)議支持，需要很好的圖形用戶接口 時，系統(tǒng)應(yīng)考慮使用操作系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是嵌入式處理器。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種數(shù)量己經(jīng)超過 1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有 30幾個，其中 8051體系占大多數(shù)。生產(chǎn) 8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有 20多個，共 350多種衍生產(chǎn)品，僅 有近 100種。目前嵌入式處理器的尋址空間可以 從 64 256 2000據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀，可以分為四大類 : （ 1）嵌入式微控制器 (典型代表是各種類型的單片機(jī)。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流，微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。嵌入式微處理器是在通用 礎(chǔ)上發(fā)展起來，增加滿足測控對象要求的外圍接口電路，用于測控領(lǐng)域。 （ 2）嵌入式 理器 (是專門 用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊的設(shè)計，具有很高的編譯效率和執(zhí)行速度。 （ 3）嵌入式微處理器 (是由通用計算機(jī)的 的特征是具有 32位以上的處理器，具有較高的性能，但與普通處理器不同的是，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去應(yīng)用軟件系統(tǒng) 嵌入式微處理器 嵌入式操作系統(tǒng)（ 外圍硬件設(shè)備 嵌 入 式 系 統(tǒng) - 7 - 除其它的冗余功能部分，這樣就做到了以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式微處理器類型有 88、 38668000、。 （ 4）嵌入式片上系統(tǒng) ( 最大特點是實現(xiàn)了軟硬件的無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都在片內(nèi)，整個系統(tǒng)特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。比較典型的 品是 A，少數(shù)通用系列如 基于 微處理器 理器的結(jié)構(gòu)和特點 英國的 司最先推進(jìn)，目前這個概念被認(rèn)為是對一類處理器的通稱。 理器采用 簡指令集計算機(jī) )結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的 雜指令集計算機(jī) )相比，具有如下的特點： 令集的種類少，指令格式規(guī)范，通常只使用一種或幾種格式，并且在字邊 界對齊；利用流水線和超標(biāo)量技術(shù)讓處理器在一個時鐘周期可以完成一條或多條指令；幾乎所有的指令都使用寄存器尋址方式的簡化尋址方式；多數(shù)的操作都是寄存器到寄存器的操作，只以簡單的 問內(nèi)存。 由于 理器具有上述結(jié)構(gòu)上的特點，使得它具備了很多優(yōu)點： (1)體積小、低功耗、低成本、高性能； (2)支持 6位 )/ 2位 ) 雙指令集，能很好的兼容 8位、 16位器件； (3)大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度快； (4)大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； (5)尋址方式靈活 簡單，執(zhí)行效率高。 處理器 理器自問世以來推出了很多系列，其中的 個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng) - 8 - 域的需求。 在這幾大通用系列中 下的以 內(nèi)核的 理器是目前使用最廣泛的 32位嵌入式 理器。 對于 基本含義是： T：支持 16位壓縮指令集 D：支持片上 M：內(nèi)嵌硬件乘法器 ( I：嵌入式 持片上斷點和調(diào)試點。 (1)指令流水線 用 3級流水線，以提高處理器指令的流動速度，指令的執(zhí)行分為三個階段：取指、譯碼和執(zhí)行。圖 4是具體的操作流程： 圖 4 周期指令的三級流水線操作 當(dāng)正常操作時，在執(zhí)行一條指令期間，其后續(xù)的一個指令可以進(jìn)行譯碼，且第三條指令從存儲器取指。程序計數(shù)器指向正在取指的指令，而不是正在執(zhí)行的指令。 (2)存儲器訪問 有加載、存儲和交換指令可以 訪問存儲器中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以是 8位 (字節(jié) )、 16位 (半字 )和 32位 (字 )。字必須是 4字節(jié)邊界對準(zhǔn)，半字必須是 2字節(jié)邊界對準(zhǔn)。 (3)嵌入式 輯 嵌入式 輯為 提供了集成的在片調(diào)試支持，可以利用輯來編程斷點或觀察斷點出現(xiàn)的條件。嵌入式 輯包含調(diào)試通信通道 (于在目標(biāo)處理器和調(diào)試器之間傳送信息。嵌入式 輯通過 口 (行 取指 譯碼 取指 取指 譯碼 譯碼 執(zhí)行 執(zhí)行 - 9 - 行控制。 (4)作模式 持 7種操作模式： （一）用戶模式：這是程序正常的運(yùn)行狀態(tài)； （二）快速中斷模式：為快速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理設(shè)計； （三）中斷模式：用于通用的中斷操作； （四）監(jiān)控模式：操作系統(tǒng)的保護(hù)模式； （五）終止模式：取數(shù)據(jù)或指令錯誤后進(jìn)入該模式； （六）系統(tǒng)模式：操作系統(tǒng)中有特權(quán)的用戶模式； （七）無定義模式：當(dāng)有未定義的指令被執(zhí)行時進(jìn)入該模式。 模式之間的切換可以通過軟件控制，多數(shù)的用戶程序都是在用戶模式下運(yùn)行，進(jìn)入 非用戶模式一般都是完成操作系統(tǒng)中的一些操作。 (5)寄存器 有 37個寄存器，其中 31個為 32位通用寄存器， 6個為狀態(tài)寄存器。但是這些寄存器不能同時被訪問，處理器的狀態(tài)和操作模式?jīng)Q定了哪些寄存器可以被訪問。 以上是 結(jié)構(gòu)特點，本文采用的 司的 理器就是屬于該系列處理器中的一款。 嵌入式系統(tǒng)的一般設(shè)計流程 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一般由 5個階段完成： 1系統(tǒng)需求分析 首先按系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求兩方面確定設(shè) 計任務(wù)和設(shè)計目標(biāo)，并完成設(shè)計規(guī)格說明書，作出正式設(shè)計指導(dǎo)和驗收的標(biāo)準(zhǔn)。 2體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 描述系統(tǒng)如何實現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟件、硬件選型等。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的工作大部分都集中在軟件設(shè)計上，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟件組件技術(shù)和模塊化設(shè)計等現(xiàn)代軟件工程常用方法。 3硬件 /軟件設(shè)計 - 10 - 基于體系結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的軟硬件并行實施詳細(xì)設(shè)計。 4系統(tǒng)集成 把系統(tǒng)的軟硬件和執(zhí)行裝置集成在一起進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)單元設(shè)計中的錯誤。 5系統(tǒng)測試 對設(shè)計好的系統(tǒng)進(jìn)行測試，看其是否滿足 規(guī)格說明書中給定的功能要求。 綜上所述，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)可以說是把開發(fā)者從反復(fù)進(jìn)行硬件平臺的設(shè)計過程中解脫出來，從而可以把主要精力放在編寫特定的的應(yīng)用程序上。參賽機(jī)器人控制系統(tǒng)作為一個嵌入式平臺在設(shè)計中一樣按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系可裁減的原則進(jìn)行，這也是為創(chuàng)建一個通用的參賽機(jī)器人控制平臺的研究目的所要求。 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 競賽機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計的任務(wù)包括合理地選擇微處理器、電機(jī)及驅(qū)動器件，設(shè)計制作信號電路隔離的 I/持各功能元件動作的開關(guān)板以及尋線識別系統(tǒng)和電源系統(tǒng)設(shè)計。 嵌入式處理器 是整個硬件系統(tǒng)的核心部件，它的選型要滿足系統(tǒng)的快速實時響應(yīng)要求，其性能的好壞直接決定整個系統(tǒng)的運(yùn)行效果，所提供功能的強(qiáng)弱直接決定了嵌入式應(yīng)用的適應(yīng)范圍和開發(fā)復(fù)雜度。嵌入式處理器一般具備以下四個特點： (1)對實時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間縮短到最低限度。 (2)具有很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能，這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時這也有利于軟件的診斷。 (3)可 擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式處理器。 (4)嵌入式處理器必須功耗很低，尤其對于便攜式的無線及移動計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，一般功耗限制在 至 。 嵌入式系統(tǒng)在競賽機(jī)器人上的應(yīng)用是直接面向控制對象體的，要求的是突出的控制功能和計算的高速實時，特別強(qiáng)調(diào)是對外部信息的捕捉與豐富的 I/ 11 - 功能等。 發(fā)板 發(fā)板是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司設(shè)計的 系列開發(fā)套件之一。它采用 司基于 核、單電源供電和 裝的 芯片。其開發(fā)板外形和功能框圖如圖 10和圖 11所示。板上有豐富的功能部件和特點： (1)采用“主板 +配器”的形式方便用戶根據(jù)需要選擇主芯片； (2)支持 司所有 號的 仿真與開發(fā)； 圖 5 發(fā)板 (3)通過串口進(jìn)行在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的數(shù)據(jù)能存儲在容量為 32儲器系統(tǒng)上；同時也提供 8K 的片內(nèi)靜態(tài) 源； (4)向量中斷控制器 (可編程分配機(jī)制接收所有的中斷請求輸入，并將它們編程分配為 3類： 量 將這些不同外設(shè)的中斷優(yōu)先級進(jìn)行動態(tài)分配和調(diào)整； (5)包含 3個寄存器的管腳連接模塊允許將微控制器的管腳和片內(nèi)外設(shè)的多路開關(guān)配置為不同的功能； (6)通用并行 I/0 口 (存器控制沒有連接到特定外設(shè)功能的管腳，并將管腳可以動態(tài)配置為輸入或輸出； (7)1個 行 I/0 控制器和 1個同步串行口控制器 (能支持同步、串行、全雙工通信傳輸； (8)帶 1個 10位的 8路輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器； - 12 - (9)2個 能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)線外， 圖 6 發(fā)板功能框圖 (10)兩個 32位的可編程定時 /計數(shù)器都能進(jìn)行 4路捕獲和 4路比較匹配與輸出； (11)2個標(biāo)準(zhǔn)的 線接口最高可支持 400Kb/口部件； (12)看門狗定時器能使微控制器在進(jìn)入錯誤狀態(tài)經(jīng)過一段時間后復(fù)位； (13)實時時鐘 (供一套用于測量時間的計數(shù)器； (14)具有建立在標(biāo)準(zhǔn)定時器 0/1 模塊上的 能輸出； (15)能提供范圍為 1025晶振、 位和喚醒定時器、存儲器映射、功率控制等系統(tǒng)控制模塊； (16)支持通過 行端口進(jìn)行仿真和調(diào)試。 機(jī)器人控制系統(tǒng) 機(jī)器人控制系統(tǒng)是采用 為控制核心，通過該 控制，使機(jī)器人能夠自主地按照預(yù)定的路線行走、避障、定位；當(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定位置后，能夠執(zhí)行預(yù)設(shè)的動作順序，機(jī)構(gòu)將積木堆放到準(zhǔn)確位置，并要有一定的保護(hù)措施。其控制框圖如圖 12所示。 - 13 - 圖 7 機(jī)器人控制框圖 從圖 12中可以看出：兩塊基于 片是整個機(jī)器人系統(tǒng)的控制核心，由于每塊芯片上只有兩個定時 /計數(shù)器，兩個步進(jìn)電機(jī)發(fā)脈沖需要占用著兩個資源，而對外部各種定時中斷無法處理，所以系統(tǒng)采用兩塊來完成。兩塊芯片按主從式布置，一主一副，通過主 副 出的握手信號 (主 腳與副 腳對應(yīng)連接 )來保證它們協(xié)議的實現(xiàn)。通過設(shè)計控制程序來控制 統(tǒng)的輸出信號狀態(tài)，從而控制機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)，使機(jī)器人按照預(yù)設(shè)路線和方向行走，輸出的開關(guān)信號控制機(jī)器人的得分和對抗避障等動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時在行走的過程中，色標(biāo)傳感器能夠檢測機(jī)器人行進(jìn)的位置和方向狀態(tài)，對這些狀態(tài)的邏輯返回值進(jìn)行比較判別，隨時糾正機(jī)器人直線運(yùn)動位置的偏差，確保機(jī)器人行走位置方向的準(zhǔn)確性。位置開關(guān)信號作為輸入信號對各動作機(jī)構(gòu)起保 護(hù)作用。 I/O 光隔控制板完成對所有數(shù)字和模擬信號的隔離比較以免干擾 ,同時對有關(guān)信號進(jìn)行功率放大以提高驅(qū)動能力。 因此， 標(biāo)傳感器和兩驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)三者之間構(gòu)成了一個閉環(huán)的系統(tǒng)，置開關(guān)和得分動作機(jī)構(gòu)也構(gòu)成一個半閉環(huán)的系統(tǒng)。而對抗避障機(jī)構(gòu)則完全是一個開環(huán)系統(tǒng)，它在什么時間打開和動作完全是由軟件實現(xiàn)的。 所有功能部件與 間都是通過板上跳線器的連接和斷開來實現(xiàn)。跳線器組 1和 2全部短接右邊時，開發(fā)板的 所有 I/O 引腳才有效?？刂脐P(guān)系設(shè)計確定后，需要對各 接口的信號端口進(jìn)行定義和分配，如表 1和 - 14 - 表 2所示。 表 1 主 制接口信號分配表 器件 信號說明 I/信號名 端口名 方向電機(jī) 方向信號 O 沖信號 O 驅(qū)動電機(jī) 方向信號 O 沖信號 O 標(biāo)傳感器 1 橫格計數(shù)信號 I 標(biāo)傳感器 2 直線完成信號 I 標(biāo)傳感器 3 第二轉(zhuǎn)彎完成信號 I 標(biāo)傳感器 4 第三轉(zhuǎn)彎完成信號 I 標(biāo)傳感器 5 障礙檢測信號 I 得分臂 正轉(zhuǎn)信號 O 轉(zhuǎn)信號 O 到位信號 I 到位信號 I 得分臂 正轉(zhuǎn)信號 O 轉(zhuǎn)信號 O 到位信號 I 到位信號 I 擋板 倒下信號 O 射器 1 釋放信號 O 射器 2 釋放信號 O 動裝置 運(yùn)行信號（路徑 1） I 行信號（路徑 2） I 壓脈沖 通電加高壓信號 O 位裝置 復(fù)位信號 I 2 副 制接口信號分配表 - 15 - 器件 信號說明 I/信號名 端口名 方向電機(jī) 方向信號 O 沖信號 O 直線完成信號 I 始第二轉(zhuǎn)彎信號 I 始第三轉(zhuǎn)彎信號 I 標(biāo)傳感器組 方向偏左信號 I 向居中信號 I 向偏右信號 I 向舵電磁 鐵 鎖定信號 O 壓脈沖 開始信號 I 位裝置 復(fù)位信號 I 電機(jī)及驅(qū)動器 在系統(tǒng)中用到了兩種電機(jī)：三相混合式步進(jìn)電機(jī)和有刷直流電機(jī)。 (一 )步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動過程 如圖 13所示。 選用步進(jìn)電機(jī)首先要確定在其輸入電壓范圍內(nèi)電機(jī)拖動負(fù)載能輸出的最高扭矩能達(dá)到工況要求，當(dāng)然如果電機(jī)力矩較大或超過此范圍，可以考慮加配減速裝置，同時轉(zhuǎn)速指標(biāo)在步進(jìn)電機(jī)的選取時也至關(guān)重要，步進(jìn)電機(jī)的特性是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，扭矩下降，其下降的快慢和很多參數(shù)有關(guān)，如：驅(qū)動器的驅(qū)動電壓、電機(jī)的相電流、電機(jī)的相電感、電機(jī)大小等等，一般的規(guī)律是：驅(qū)動電壓越高，力矩下降越慢；電機(jī)的相電流越大，力矩下降越慢。設(shè)計方案的轉(zhuǎn)速控制范圍可以參考各型電機(jī)的矩頻特性曲線。 - 16 - 圖 8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理 系統(tǒng)選用北京斯 達(dá)特的 86進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動器采用 86機(jī)的驅(qū)動電壓是 60V，最大靜轉(zhuǎn)矩可達(dá) 相電流有效值可達(dá) 這可以保證電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下提供很高的鎖定力矩，提高機(jī)器人的防沖撞能力。 等角度恒力矩細(xì)分型驅(qū)動器，驅(qū)動電壓 40V，下。該驅(qū)動器內(nèi)部采用伺服控制原理的電路，此電路可以使電機(jī)低速運(yùn)行平穩(wěn)，震動和噪音很小，電機(jī)在高速時力矩大大高于二相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)。其主要性能特點有：設(shè)有 16檔等角度恒力矩細(xì)分，最高分辨率 60000/轉(zhuǎn)；采用獨(dú)特的控制電路；最高反應(yīng)頻率可達(dá) 200進(jìn)脈沖停止超過 100，線圈電流自動減半； 雙極恒流斬波方式；光電隔離信號輸入 /輸出；驅(qū)動器電流從 到 連續(xù)可調(diào)；單電源輸入，電壓范圍： 40V。圖 14給出了該電機(jī)和驅(qū)動器與信號的連接圖。 圖 9 電機(jī)驅(qū)動器接線圖 - 17 - (二 )直流電機(jī) 工作提升機(jī)構(gòu)用的電機(jī)是繞組式有刷直流電機(jī) 的輸入電壓是定輸出功率 120W 足夠它完成堆放積木的動作。對 它的控制主要包括有電機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟停、轉(zhuǎn)速控制。在設(shè)計時采用雙擲雙刀繼電器完成橋式電路的功能，調(diào)速可以加一 ，通過控制 的開關(guān)時問來達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。電路原理圖如圖 15： 圖 10 直流電機(jī)驅(qū)動控制原理 1 4分別是繼電器的四個觸點，當(dāng)常閉觸點 1、 4閉合時電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)長開觸電 2、 3閉合時電機(jī)反轉(zhuǎn)。這樣實現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 控制 的導(dǎo)通時間就可以控制電機(jī)的速度。 為了改善波形，消除干擾，采用由 555 定時器組成的遲滯比較器 (施密特觸發(fā)器 )、穩(wěn)壓管、反向二極管等保護(hù)電 路對圖 15完善，完善后的電路如圖 16所示： 圖 11 直流電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)速控制原理圖 12V， 限流電阻； 保護(hù)二極管防止反向電流， 壓管 到保護(hù) 漏、柵極的作用。 - 18 - I/O 光電隔離控制模塊 在基于 嵌入式系統(tǒng)實際應(yīng)用中，常常會遇到各種干擾，如電磁波干擾、浪涌電壓干擾等，這些干擾會造成 序的“跑飛”甚至死機(jī)。因此需設(shè)計各種方法來避免降低這些干擾。 光電隔離單元是為了將干擾對系統(tǒng)的影響降到最低而設(shè)計的。光電隔 離通常使用一個光耦 (電子信號轉(zhuǎn)換為光信號，在另一邊再將光信號轉(zhuǎn)換回電子信號，兩個電路可以互相隔離。這樣系統(tǒng)就必須有兩個電源，一個供數(shù)字電路、一個模擬供電，模擬地與數(shù)字地完全分開，弱電的控制信號通過光耦傳遞給強(qiáng)電部分。這樣強(qiáng)電即使產(chǎn)生了電磁干擾，也沒有回路傳到弱電去，同時也可以解決弱信號驅(qū)動能力不夠的問題。 圖 17給出了從開發(fā)板去方向電機(jī)的脈沖信號的光電隔離示意圖。光耦采用內(nèi)部有四路。 于它的灌電流能力較強(qiáng)，所以控制信號采用圖示接法 。由于系統(tǒng)控制信號較多，其中有輸出的信號也有輸入的信號，根據(jù) 片資料，限流電阻采用 330 排阻，輸出采用 5排阻。 弱電信號電源， +5V 為模擬端，如果去接繼電器則要接 +24V 直流端。這樣，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時，光耦內(nèi)的發(fā)光管導(dǎo)通，發(fā)出的光使光敏三極管導(dǎo)通，使光耦輸出為低電平；反之輸出為高電平。 圖 12 光電隔離電路圖 光電隔離部分電路包括五個光耦，一片 片 7404 等組成。直流電機(jī)提供啟動 /停止信號接口；為低電壓檢測電路提供電源電平 信號接口；第四片光耦作為擴(kuò)展的四路輸出接口；第五片光耦作為擴(kuò)展的四路輸入接口。擴(kuò)展的四路輸入接口輸入端經(jīng) 形厲輸入光耦；擴(kuò)展的四路輸出經(jīng) 大后輸出，可以直接驅(qū)動電磁鐵、繼電器等。 - 19 - 運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制電路 在系統(tǒng)中用單刀雙擲的電磁繼電器加限拉開關(guān)的反饋來控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，用固態(tài)繼電器來完成控制干擾高壓脈沖和彈射器的釋放。通過這些動作使自動機(jī)器人完成得分臂的伸展和收回以及干擾系統(tǒng)的適時動作完成。 繼電器是一種當(dāng)輸入量 (電、磁、聲、光、熱 )達(dá)到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器的輸入信號 x 從零連續(xù)增加達(dá)到某個閾值x，繼電器的輸出信號立刻從 0y 跳躍到即常開觸點從斷到通；一旦觸點閉合，輸入量 x 繼續(xù)增大，輸出信號 y 將不再起變化。當(dāng)輸入量 x 從某一大于電器開始釋放，常開觸點斷開，輸出信號 0y 。們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入 繼電器的原理上實現(xiàn)了控制回路與驅(qū)動回路的隔離，也即數(shù)字地與模擬地分離，這是使用繼電器的一大優(yōu)點，同時保證了小功率到大功率驅(qū)動回路的控制。按照不同的作用原理分類，繼電器可以分為電磁繼 電器、固態(tài)繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、加速度繼電器等幾種。一般常用的是電磁繼電器和固態(tài)繼電器(其中電磁繼電器是指在輸入電路內(nèi)電流的作用下，由機(jī)械部件的相對運(yùn)動產(chǎn)生預(yù)定響應(yīng)的一種繼電器。固態(tài)繼電器是指依靠半導(dǎo)體器件和電子元件的電、磁和光特性來完成其隔離和繼電切換功能的一種繼電器。 系統(tǒng)中用了 電磁繼電器，其最大觸點電壓為 為了保證執(zhí)行電機(jī)不誤動作，提高可靠性，系統(tǒng)用了一對具有互鎖功能的繼電器，其中一路控制前得分臂正反轉(zhuǎn)的引腳連接如圖 18所示， I/ 別為線圈電壓輸入端。 圖 13 繼電器互鎖功能圖 - 20 - 電源系統(tǒng) 競賽機(jī)器人的電源系統(tǒng)包含開發(fā)板板上電源和外部電源兩部分。 (一 )板上電源 發(fā)板的內(nèi)核和 I/單電源。電源電路如圖 19， 外部 5V 直流電源由 口 入，然后通過 電源穩(wěn)壓成 特點是輸出電流大，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。 圖 14 開發(fā)板供電電路圖 圖 20給出了系統(tǒng)復(fù)位電路圖。由于 片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，所以 帶 儲器的電源監(jiān)控芯片系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都有很大提高，提高了系統(tǒng)的可靠性。 (二 )外部電源 在第 3章總體設(shè)計對各子系統(tǒng)的功率元件進(jìn)行了闡述。外部電源主要目的一是向各功率器件提供足夠的功率，二是保證外部模擬信號與板內(nèi)的數(shù)字信號隔離以保證控制信號的穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖 15 系統(tǒng)復(fù)位電路圖 出于這兩個目的，系統(tǒng)對外部電 源電路進(jìn)行了如下分解，如圖 21所示。系統(tǒng)的總電源是一個 高能 池組，通過三個 C 電源模塊將 24V 的直流電壓變換到需要的電壓值，并將這些輸出電壓接到對應(yīng)的功率器件接點。 - 21 - 我們用的是深圳安時捷公司的電源模塊，這些模塊具有輸入電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、輸入與輸出高隔離、具有過流保護(hù)和自恢復(fù)功能等優(yōu)點。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)一起共同搭建了一個機(jī)器人運(yùn)動平臺。軟件設(shè)計的目的是為機(jī)器人的硬件執(zhí)行提供決策，它可以通過三個問題來描述： (1)“我現(xiàn)在何處 ?” (2)“我 要往何處去 ?” (3)“要如何到該處去 ?”。問題一要求機(jī)器人通過感知系統(tǒng)獲取的環(huán)境信息定位出自己在一個全局坐標(biāo)或在一個局部環(huán)境中的位置，問題二要求確定移動機(jī)器人要到達(dá)的目的地，在確定了當(dāng)前位置和目的地后，根據(jù)環(huán)境模型，就可以選擇相應(yīng)的運(yùn)動方式，第三個問題則是設(shè)計合適的控制算法控制機(jī)器人準(zhǔn)確實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。對于這三個問題都要有軟件架構(gòu)和對應(yīng)模塊算法來完成，并且嵌入式系統(tǒng)郜需要相應(yīng)的開發(fā)平臺和開發(fā)環(huán)境。 集成開發(fā)環(huán)境 成開發(fā)環(huán)境是 司推出的 微控制器集成開發(fā)工具，成熟版本為 持 前的所有 列微控制器，支持軟件調(diào)試及 件仿真調(diào)試，支持匯編、 C、 C+ 源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強(qiáng)等特點，可以在 P、 及 運(yùn)行。 個部分組成，如表 4所示。 表 4 組成部分 名稱 描述 使用方式 代碼生成工具 、 C+編譯器， 、 C+編譯器，連接器 由 用 集成開發(fā)工具 程管理，編譯連接 調(diào)試器 真調(diào)試 指令模擬器 一些底層的例程，實用程序 (如 一些實用程序由 用 C、 C+函數(shù)庫等 用戶程序使用 由于在工程控制領(lǐng)域用戶一般直接操作的是 成開發(fā)環(huán) - 22 - 境和 試器，所以本章我們重點介紹這兩部分軟件的 使用。 1 介 用了 成開發(fā)環(huán)境，并集成了 編器、 C/C+ 編譯器、 C/C+ 編譯器、 接器，包含工程管理器代碼生成接口、語法敏感 (對關(guān)鍵字以不同顏色顯示 )編輯器、源文件和類瀏覽器等等。 2 試器簡介 試器為 展調(diào)試器 (即 支持硬件仿真和軟件仿真 (包括 所有特性。 夠裝載映像文件到目標(biāo)內(nèi)存，具有單步、全速和斷點等調(diào)試功能，可以觀察變量、寄存囂和內(nèi)存的數(shù)據(jù)等等。 3 控制器工程模板 在建立新工程時， 供了幾個標(biāo)準(zhǔn)工程模板，使用各個模板建立的工程，它們的各項設(shè)置均有不同之處，方便生成不同結(jié)構(gòu)的代碼，如 執(zhí)行映象 (生成 令的代碼 )或 執(zhí)行映像 (生成 令的代碼 )，或 織映象 (生成 。針對 義了 6個工程模板，這 些模板一般包含的設(shè)置信息有 始地址0內(nèi) 始地址 0譯連接選項及編譯優(yōu)化級別等等；模板中包含了 列 控制器的起動文件，包括 板還包含了 列 控制器的頭文件(如： h 和 寄存器是向下兼容的，所以對列一樣適用 )，分散加載描述文件 (如： 等。 4程序下載器 程序的固化有兩種方法： 一種是采用 口下載 需要 真囂的支持， 片的 載，這樣就可以使用這一功能將調(diào)試好的程序下載到 ，以脫機(jī)運(yùn)行。本系統(tǒng)就是采用的這種方式進(jìn)行調(diào)試的。 另一種采用 載。先用 成 件，然后打開 過串口將程序固化在芯片中。 - 23 - 系統(tǒng)控制軟件總體設(shè)計 成開發(fā)環(huán)境針對 控制器定義了 4個工程模板。通過這些模板用戶可以建立自己的一個工程。我們用的模板是 模板是在無操作系統(tǒng)時，所有 C 代碼均編譯成為 令。每個工程有三個生成目標(biāo) ( 們系統(tǒng)采用的是，生成目標(biāo) 支持片內(nèi) 序固化在片內(nèi) 。 在 ，一個工程由 4部分構(gòu)成：分散加載描述文件 文件 *標(biāo)文件 用戶文件 面三部分系統(tǒng)模板都自帶，只是注意：一是在頭文件 *的端口定義頭文件 由用戶定義；二是在 工程模板下中斷處理是通過軟中斷的方式管理的，增加了對開關(guān)處理的函數(shù)，分別為 、 、 和，供用戶調(diào)用。用戶主要是加載調(diào)試 件。 在競賽機(jī)器人系統(tǒng)中控制軟件 的任務(wù)主要包括軟件流程設(shè)計、端口頭文件的定義、系統(tǒng)的初始化、電機(jī)速度和方向調(diào)節(jié)模塊、機(jī)器人動作模塊、中斷服務(wù)模塊以及數(shù)據(jù)交換模塊。 競賽機(jī)器人程序結(jié)構(gòu)設(shè)計 嵌入式 片支持基于 開發(fā)環(huán)境，它支持多種編程語言如匯編、 C、 C+ 等的源程序，我們的代碼用的是 C 語言。 C 語言是一種結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。 C 語言有功能豐富的庫函數(shù)，運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。 C 語言支持 當(dāng)前程序設(shè)計中廣泛采用的有頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。此外 C 語言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計方法提供了有力保障