基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器设计
基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器设计
作者:李新,汪 应,周 桐
机器人时代的来临,使机器人激光测距仪发展迅猛。 机器人通过三维建模方式,极大地优化了激光测距的导航能力、探测深度和扫描面积,具有一定的研究价值 。但受限千机器人行走方式的 固定模式,机器人激光测距始终未取得优异的实用性和可靠性 。因此,相关单位已开始着手进行机器人激光测距控制器的研究,旨在进行机器人激光测距机能的改进。
迄今为止,相关单位已给出了一些机器人激光测距控制器的设计成果,但均未实现对机器人激光测距机能的优质改进,如文献 应用了三角切割技术设计机器人激光测距控制器,三角切割技术构建了一个机器人测距路线模型,将路线切割成多个三角形,令每个三角形的内角之和达到极大值并作外接圆,如此,机器人就能以固定圆点进行测距,测距结果的可 靠性也得到了改善。 这种控制器的测距误差小,但控制延时易受测距环境影响;文献[4] 应用视频辨认方 法在进行激光测距的机器人上安装了具有照明装置的高清摄像头,摄像头所拍摄到的视频以数字格式传递到计算机中进行分析,给出测距路线。 其虽未能改 进测距误差,却拥有体积小、控制延时短的优点,适合大众使用;文献[5] 设计的基于 GPS 的机器人激光测距控制器以自动对焦的高清摄像头为基础,在摄像视频中写入 GPS 数据,可对机器人的激光测距时间和行 走角度进行控制,有效改进了测距误差和控制延时,但其内部原件的体积和质量过大,为工作人员带来了 一定的麻烦;哈尔滨工程大学设计出的基千 AT-MEGA16L 芯片的机器人激光测距控制器于文献[6]中进行了概述,机器人的上、下机位都使用 ATMEGA16L 芯片进行控制,不但能够设计机器人测距路线,还能对测距工作的不良状态进行检测和排除,但相关技术还不成熟,有待进行深度研究。
机器人激光测距控制器设计所需考虑的因素众多,包括控制器的体积、质量、控制效果、元件成本以及可靠性。众所周知,嵌入式技术下的机器拥有携带方便、成本低和可靠性强的优点,因此,设计基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器,设计目标是提高测距误差,缩减控制器控制延时。
1 基千嵌入式技术的机器人激光测距控制器硬件设计
1. 1 控制器总休设计
基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器由上、下机位两部分组成,这两部分通过电缆盘进行数据互换,实现嵌入式连接。电缆盘不同千普通电缆的复杂接线程序,其方便管理,使用过程不会耗费过多的绕线时间,并且几乎不存在通信延时,可保证控制器控制效果。控制器中设备的所有数据均通过电缆盘进行传输。
上机位指机器人激光测距直接控制单位,包括激光测距收集器、直接控制器和显示屏,下机位指机器人激光测距间接控制单位,包括照明摄像头、嵌入式控制芯片和电机驱动器。下机位安装在机器人顶部,负责采集激光测距的状态和环境数据,给出控制方案。上机位是激光测距工作人员使用的直接控制单元,负责接收下机位数据并进行显示、分析和管理,也可以直接调取下机位进行控制工作 。设计中,要求上机位的使用界面应简洁、易于工作人员操作。
1. 2 嵌入式控制芯片设计
嵌入式技术是于 30 年前被提出的,首个嵌入式产品是单核心单片系统,发展至今,嵌入式技术已比较成熟,产生了集成度高、体积小的多核心控制芯片[ 10] 。多核心控制芯片在应用中无需考虑机器基础文件是否符合通信协议,直接向芯片接口中烧制控制编码便可进行数据控制,令机器嵌入式设计的实现更为简单。
目前,应用相对广泛的嵌入式控制芯片的服务结构有 ARM(Advanced RISC Machine, 进阶精简指令集 机器)和 MIPS(Millions oflnstructions Per Second, 精简指令集) 。 结构的控制效率高,但实现复杂、能耗高。 而 ARM 结构则以其低耗性和高控制效果得到了更为普遍的关注,其优势在于:
(1)价格低、体积小、能耗低、可靠性更强;
(2)利用多个内部寄存器提升整体控制效率;
(3)搜索功能敏捷,控制命令的规格均为 32bit,便千管理;
(4)提供多种控制方式,结构稳定性和兼容性强。基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器选择了一款型号为 GT8340 的 32位嵌入式控制芯片,其具有高速缓存功能,最大工作频率为 500MHz,高性能总 线和外围总线的传输频率为 180 MHz 和 90 MHi12l 。 GT8340 还拥有多类型接口,可进行图片、视频、多维数据的接收、存储和传输,能够合理缩减控制延时,提升控制效果。
GT8340 嵌入式控制芯片对上机位的直接控制器和下机位的照明摄像头、电机驱动器实施控制,是整个控制器的“管理部门”,它控制着照明摄像头的转动方向和照明方式,能够对电机驱动器的工作电压和脉冲频率进行调节,并控制着直接控制器中数据的解码、编码和压缩、解压缩工作,为基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器的开发提供了极大的便利,有效地缓冲了设计成本和实现复杂度。图2给出的是GT8340 嵌入式控制芯片控制流程。
在基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器的运行初期,GT8340 嵌入式控制芯片将提前定义基本控制方案,并向上、下机位发送参数配置指令。完成参数配置后,控制器自动检测 GT8340嵌入式控制芯片与被控组件的连接情况,成功连接后芯片立刻获取上、下机位的具体配置参数,并开启三项控制措施,包括对机器人的行为控制以及对激光测距误差与延时的控制 。GT8340 嵌入式控制芯片控制工作结束后,控制器会根据所获取到的配置参数自动更新其对机器人激光测距的基本控制方案,并使GT8340嵌入式控制芯片进入休眠状态。
1. 3 上机位设计
上机位以直接控制器为核心组件,直接控制器由控制板和辅助板组成,控制板中配置了视频处理模块和存储模块,辅助板的配置比较复杂,主要包括电源模块、网络接口、异步传输标准接口、存储接口、多媒体接口、复位电路、时钟电路、休眠控制模块以及多种数据转换器。
上机位连接结构,对其中的重要模块进行详细阐述:
(1)激光测距收集器,负责从下机位的照明摄像头中随时收集机器人激光测距的状态和环境数据,可将数据传输给直接控制器的辅助板进行处理。
(2)视频处理模块,其内部配置具有监控功能的视频处理器,可对多种主流分辨格式的视频进行处理,支持多路视频共同解码,最大解码帧率为45fps 。视频处理模块在上机位的直接控制器中占据核心地位,其功能的实现与存储模块息息相关。
(3) 存储模块,其为视频处理模块中的系统文件和运程数据提供缓存和寄存区域,防止数据丢失,缓解视频处理模块的数据调取压力。 存储模块在上机 位进入休眠状态时不会出现数据乱码和丢弃的情况,保证了机器人激光测距精度。
(4机电源模块,负责提供直流3. sv 电压。
(5)多媒体接口,负责接收视频处理模块的通信数据。其使用具有低耗性能的1'9871芯片和C4974 芯片进行机器人激光测距状态和环境数据的解编码,还能对视频画面的显示效果进行调节。时钟电路对解编码工作时间进行限制,时钟电路与多媒体接口的连接线使用I2c控制线。
(6)显示屏,选用薄膜晶体管液晶显示屏,是一种主动矩阵显示屏,显示效果好,在使用中不会影响到其他控制器组件的性能。
2.基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器通信接口软件设计
2. 1 上、下机位的通信接口设计
基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器的上 机位和下机位使用电缆盘进行连接,电缆盘的通信接 口使用的是 RS-232 串口通信方式,通信数据为多字节,依照字节由短到长进行通信 。
2.2 上机位与机器人的通信接口设计
由于上机位不与正在进行激光测距工作的机器 人直接连接,故通信接口成为沟通二者工作状态的重要媒介[ 19] 。机器人在进行激光测距时所用的控制命令格式是 16 进制的,由上机位给出。 其中,控制命令的开始区域、地址区域和指令区域各应用了 1 、3、6 个字节,剩余字节被用来进行激光测距数据的传输以及通信校验。机器人从上机位中接收到表2所示的控制命令结构后,会对控制命令进行响应,给出如表3所示结 构的激光测距数据。
3 实验分析与讨论
为了分析本文设计出的基千嵌入式技术的机器 人激光测距控制器能否实现对机器人激光测距机能的优质改进,需要通过一次实验对其测距误差和控制 延时进行讨论。 对比实验是最能体现一项设计成功 与否的分析方式,为此,实验将基千视频辨认方法的 机器人激光测距控制器和基于GPS的机器人激光测距控制器与本文控制器置千相同的条件下进行实验,并对实验结果进行分析与讨论。
3. 1 测距误差分析实验
实验所用的机器人是从德国进口的型号为 Smart2的机器人,机器人激光测距结果数据的处理工 作经由Matlab?. 0软件实现。 测距误差分析实验中,将三个控制器的下机位安置在Smart2机器人顶端,上 机位安置在控制主机中。 控制主机的操作系统为光谱分析PCI结构,处理器主频为 230MHz, 内存为 1GB, 所使用的编程服务器为X0/3。令Smart2机器人对实验室中的6个固定物体(包括球体、正方体、圆锥体、纸张、柱子和不规则物体)进 行激光测距,求得测距误差本文控制器取得了非常小的测距误差,最大测距误差低于2cm。
3.2 控制延时分析实验
实验先将Smart2机器人的行走路线设为直线,使用三个控制器给出激光测距控制指令,改变Smart2机 器人的行走路线。 控制指令发出后到路线实施变更所花费的时间称为控制延时。 控制延时与机器人行走速率和脉冲宽度调制占空比有关。
不管将实验的自变量设为机器人行走速率还是脉冲宽度调制占空比,本文控制器都能取得最短控制延时。
4 结论
本文在给出基于嵌入式技术的机器人激光测距控制器硬件设计的基础上,对控制器的控制方式和通信接口软件进行了概述,讨论了本文控制器、基于视频辨认方法的机器人激光测距控制器以及基于GPS的机器人激光测距控制器的测距误差和控制延时,证明了本文控制器具有测距误差小、控制延时短的优点,实现了对机器人激光测距机能的优质改进。
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