CN1970247A

CN1970247A - 嵌入式移动机器人核心控制器

Info

Publication number: CN1970247A
Application number: CN 200610129804
Authority: CN
Inventors: 张建勋; 牛和明; 邢关生; 李彬
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-05-30

Abstract

嵌入式移动机器人核心控制器。包括中央处理单元，和分别与之连接的系统总线接口单元、串行通讯接口单元、计数器逻辑单元和通用输入输出单元；以及程序存储器、数据存储器、系统总线缓冲单元、显示控制器、输入控制器；智能数据采集单元；四路伺服电机控制单元；和无线信号接收单元。本发明实现了4路伺服电机的独立控制，进而实现了移动机器人的运动控制；充分利用具有ARM9体系结构的微处理器的内部资源，使控制器整体的硬件电路非常简洁，采用了嵌入式操作系统，使控制器的软件设计工作量大大减少；成熟的嵌入式Linux操作系统提高了控制器的工作稳定性，可靠性；简单的外围电路实现了控制器的人机交互接口，为操作者提供了友好的操作界面。

Description

嵌入式移动机器人核心控制器

【技术领域】：本发明属于智能机器人技术领域，特别涉及一种多接口的移动机器人核心控制器。

【背景技术】：作为一台移动机器人，能够自主运动，接受操作者的命令，根据命令改变自身的工作状态，实时地显示自身的工作状态都是最基本的功能。移动机器人能够实现自主运动，以任意的半径转向，很好地完成规定的工作，都是在核心控制器的控制下实现的。所以，核心控制器是移动机器人的大脑，机器人具有的功能多少，性能优劣与核心控制器的功能与性能密切相关。

一般情况下，移动机器人的核心控制器都是由微处理器实现的。早期的移动机器人由一台PC机(或笔记本电脑)实现控制功能，也有一些功能非常简单的移动机器人，其控制器就是由一片8位的单片微处理器、附加外围电路实现的。随着集成电路技术的发展，单片微处理器的性能不断提高，功能不断增强。现在已出现了16位，32位的单片微处理器，其功能完全可以替代早期的PC机。如现在流行的ARM9系列的嵌入式微处理器，无论在硬件资源，软件资源和运算速度等方面，不亚于一台过去的486PC机系统。构建以ARM9嵌入式微处理器为核心的移动机器人核心控制器不仅完全可行，而且在控制器结构，成本等方面具有明显的优势。为此，许多研究人员在这方面做了许多工作，也出现了一些专利：

专利03125368.7(嵌入式多轴运动控制器)公开了一种嵌入式多轴运动控制器，利用扩展的随机存储器(RAM)、和扩展的只读存储器(ROM)、与可进行浮点运算的数字信号处理器(DSP)相连，共同完成数据存储和数据处理，TCP/IP接口用于DSP控制器与上位机之间的连接，进行数据链路层的协议处理，另外该控制器还具有其它一些功能。该控制器是一种单纯的运动控制器，在工作状态下要通过专用的接口接受上一层控制单元下达的命令，不具有直接与人交互的接口(人机界面)，不能独立工作。

专利00806851.8(运动控制器的编程方法)公开了运动控制器的编程方法，说明是用编程装置分别独立地记述控制工业机械的运动控制器的运动程序和时序程序，把每个程序装载到上述运动控制器。该专利的主要内容是讲述了一种对多种运动控制器的编程方法，并没有涉及到控制器本身的功能和硬件实现，也不是一个完整的运动控制器。

专利01131583.0(开闭环通用运动控制器)公开了一种开闭环通用运动控制器，是由微处理器，通过总线接口与有关单元电路连接形成的反馈环路。微处理器是一片TMS320的数字信号处理器芯片(DSP)，该开闭环通用运动控制器同样也是一种单纯的运动控制器，在工作状态下要通过专用的接口接受上一层控制单元下达的命令，不具有直接与人交互的接口(人机界面)，不能独立工作。

以上前三个专利所具有的共同特点是：1)利用数字信号处理器(DSP)作为控制器的核心单元，没有采用比较先进的嵌入式ARM体系结构的微处理器；2)都是一个单纯的运动控制单元，不具备与人，或者环境进行交互的接口；3)不能独立进行工作，运动控制器在工作时要听从上一级控制单元的命令。其中第二个专利只针对某运动控制器给出了编程方法，并没有涉及到控制器的硬件实现技术。

【发明内容】：本发明的目的是解决现有技术存在的上述不足，提供一种集运动控制、人机交互界面、无线命令传输、无线数据采集等功能于一体的移动机器人通用控制器，即嵌入式移动机器人核心控制器。

本发明提供的嵌入式移动机器人核心控制器，包括作为核心计算与控制的中央处理单元，以及分别与之相连接的系统总线接口单元、串行通讯接口单元、计数器逻辑单元和通用输入输出单元；中央处理单元通过系统总线接口单元和数据线分别双向连接程序存储器、数据存储器和系统总线缓冲单元，系统总线缓冲单元通过数据线分别连接显示控制器和输入控制器；中央处理单元通过串行通讯接口单元和数据线双向连接智能数据采集单元；中央处理单元同时分别通过计数器逻辑单元、通用输入输出单元和数据线双向连接四路伺服电机控制单元。

中央处理单元通过控制线和信号线双向连接CPU附属电路单元。

同时通过通用输入输出单元和数据线连接无线信号接收单元。

本发明的优点及效果：本发明提供的嵌入式移动机器人核心控制器实现了4路伺服电机的独立控制，进而实现了移动机器人的运动控制；充分利用具有ARM9体系结构的微处理器的内部资源，使控制器整体的硬件电路非常简洁，采用了嵌入式操作系统，使控制器的软件设计工作量大大减少；成熟的嵌入式Linux操作系统提高了控制器的工作稳定性，可靠性；简单的外围电路实现了控制器的人机交互接口，为操作者提供了友好的操作界面。

【附图说明】：

图1是本发明核心控制器原理框图；

图2是核心控制器工作流程图。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的嵌入式移动机器人核心控制器包括：中央处理单元1、系统总线接口单元2，串行通讯单元3、计数器逻辑单元4，通用输入输出单元5，程序存储器6，数据存储器7，智能数据采集单元8，系统总线缓冲单元9，CPU附属电路单元10，液晶显示控制器11，键盘、触摸屏输入控制器12，无线信号接收单元13，四路伺服电机控制单元14，和电源检测接口单元15。

该核心控制器的设计特点是：1)以具有高速运算能力、和丰富的软、硬件资源的嵌入式ARM9体系结构的微处理器(CPU)作为核心计算与控制单元，相应的设计出动态随机存储器(DRAM)和闪速存储器(FLASH)的接口电路，实现了CPU的程序存储与数据存储；2)针对移动机器人的要求，设计了液晶显示输出，多种输入(键盘输入，触摸屏输入)，和无线命令接收等人机交互接口电路；可以实时的接收操作者的命令，控制移动机器人做相应的动作，实时的显示机器人的工作状态；3)设计了多种的串行通讯通道(异步串行通讯接口RS232、三线同步串行通讯接口SPI、和两线同步串行通讯接口I²C)，便于与各种通用的外部设备连接，实现功能扩展；4)设计了对机器人控制系统的电源检测接口单元，发现电源出现故障或电压降低时，能够及时向CPU报警，停止机器人的工作；5)利用微处理器的内部技术及资源，通过软件方式，实现了对四路运动驱动电机的脉冲指令输出功能，输出的脉冲频率与电机的速度(机器人的运动速度)成正比，脉冲的个数与电机的运动角度(机器人的运动距离)成正比，四路脉冲指令可以独立进行调节改变。

本控制器预先编制好的程序存放在闪速存储器(6)中。当控制器被上电，开始工作时，CPU单元从闪速存储器中读取出程序，将程序转移到数据存储器7中，以提高微处理器执行指令的速度(CPU读取RAM的速度远快于读取Flash的速度)，然后开始逐条执行RAM中的程序。程序的工作过程如下：

首先CPU对各个单元进行初始化设置，其中包括3个异步串行通讯单元，2个同步串行通讯单元的初始化设置，通讯频率设置；控制四路伺服电机的计数器逻辑单元的初始化设置；无线命令接受单元的初始化设置；液晶控制电路的初始化设置，键盘、触摸屏输入接口电路的初始化设置。初始化工作完成后，CPU向液晶控制器输出开机的工作画面，同时对键盘、触摸屏输入单元进行扫描输入；当有键盘输入信号时，判断输入的键盘指令是否要改变当时移动机器人的工作模式，以及一些基本参数(系统设置)，如果是，工作进入修改系统设置过程，操作者可通过键盘、触摸屏改变系统的一些设置(如操作机器人的密码，与家人通讯的电话号码等信息)，同时通过液晶屏可以监视操作的过程。如不需要改变系统的设置，则判断机器人是否需要进入工作待命状态。操作者可通过键盘、触摸屏选择机器人是否进入工作待命状态，并通过液晶屏观看选择的结果。

进入待命状态后，CPU有两项工作要做。首先通过异步串行通讯单元3与智能数据采集单元通讯，接收检测到的机器人工作的环境参数(环境温度，环境湿度，烟雾探测，有无可疑入侵者等)，CPU对采集到的数据进行处理后，通过液晶显示控制器，将环境参数显示在液晶上。如发现有危险信号(如温度过高，湿度过大，有烟雾信号，有可疑入侵者等)，CPU启动报警功能，通过异步串行通讯接口向外部报警。

然后检测无线命令接口，是否有运动命令。如有运动命令，则根据命令的内容，向计数逻辑单元4设置控制命令，计数逻辑单元4向对应的伺服电机控制单元8输出相应的控制脉冲命令，控制移动机器人做相应的运动(前进、后退、向左传、向右转)。如有退出命令，则CPU退出待命工作状态，返回到初始化完成的状态。

CPU附属电路10，是支撑CPU工作的一些固定电路。

Claims

1、一种嵌入式移动机器人核心控制器，其特征在于该核心控制器包括作为核心计算与控制的中央处理单元，以及分别与之相连接的系统总线接口单元、串行通讯接口单元、计数器逻辑单元和通用输入输出单元；中央处理单元通过系统总线接口单元和数据线分别双向连接程序存储器、数据存储器和系统总线缓冲单元，系统总线缓冲单元通过数据线分别连接显示控制器和输入控制器；中央处理单元通过串行通讯接口单元和数据线双向连接智能数据采集单元；中央处理单元同时分别通过计数器逻辑单元、通用输入输出单元和数据线双向连接四路伺服电机控制单元。

2、根据权利要求1所述的嵌入式移动机器人核心控制器，其特征在于中央处理单元通过控制线和信号线双向连接CPU附属电路单元。

3、根据权利要求1或2所述的嵌入式移动机器人核心控制器，其特征在于中央处理单元同时通过通用输入输出单元和数据线连接无线信号接收单元。

4、根据权利要求1或2所述的嵌入式移动机器人核心控制器，其特征在于，与系统总线缓冲单元连接的输入控制器是键盘输入控制器、触摸屏输入控制器中的一种或两种。