LPC2106在足球机器人控制中的应用设计

         以应用为中心的嵌入式系统，已经深入到生活的各 个方面。相对于其它领域，智能机器人系统可以说是嵌 入式系统应用最典型、最广泛的领域之一。本文对嵌入式系统在足球机器人底层控制系统中的应用进行研究和设计。

         １ 足球机器人系统

         足球机器人是计算机视觉、模式识别、决策对策、 自动控制、无线通信、智能体设计与电力传动、多智能 体合作等多项技术的结合体，是一个典型的智能机器人 系统。足球机器人比赛集高科技、娱乐、竞技于一体， 虽历时不长，但已经成为国际上广泛开展的高技术对抗 活动，引起社会广泛的关注。研究与开发足球机器人系 统，参加机器人足球赛是研究智能机器人，跟踪国际高 科技理论技术的理想切入点，同时也是嵌入式计算机 系统理论联系实际的极富生命力的成长点。

         从国内外的比赛情况来看，目前主要是集中视觉的 足球机器人比赛。如图 １ 所示，在整个比赛中，视觉系 统通过 Ｃ Ｃ Ｄ 摄像头和图像采集卡对场上情景进行实时 采集和处理，把辨识结果送给决策系统，通过无线发射 器向车体系统发出一系列控制命令。机器人根据主机命 令做出反应，在场上运动，同时能通过译码器进行位置控制以及基于传感器进行自动避障和简单识别环境。

 

         通常足球机器人系统［２］可以划分为机器人（车体）子系 统、通信子系统、视觉子系统和决策子系统四个部分， 通过计算机视觉子系统闭环而构成智能决策和控制系统 （如图２）。从图２ 中可以看到，足球机器人车体是整个系 统的执行机构，它直接体现了整个系统的性能。小车的 性能主要由车体性能与车载嵌入式控制系统——微型足 球机器人底层控制系统决定。当小车车体具有了良好的 运动性能后，小车的性能就由车载嵌入式系统决定了。 因此构建一个快速、安全、可靠的实时嵌入式系统是整 个系统的关键。

         ２ 系统设计和实现

         ２.1 系统任务

         通过无线通信系统接受决策子系统传来的控制指 令；根据运动指令控制小车左右轮转速；通过传感器判 断场上环境信息，辅助机器人定位及运动。

         ２.2 微型处理器

         传统的微处理器如５ １、９ ６ 系列应用于机器人系统， 虽然开发周期短，成本低，但其实时性不好，复杂的控 制算法难以实现；另外，增加的外围电路数据转换速度 慢，使机器人的性能得不到充分的发挥。高速DSP的出 现虽然使得系统模块化和全数字化，但其开发套件成本高。与DSP具有同等性能的ＡＲＭ微处理器资源丰富，具有很好的通用性，其主要技术优点是高性能、低价 格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域，因此将ＡＲＭ应用于机器人控制系统不失为一种好的策略。

        ＬＰＣ２１０６是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的 ＡＲＭ７ＴＤＭＩ－Ｓ 微处理器，嵌入１２８ＫＢ 高速 Ｆｌａｓｈ 存储器。 采用 ３ 级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能 够并行处理指令，提高 Ｃ Ｐ Ｕ 运行速度。由于具有非常小 的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主 要要求的应用。多个 ３２ 位定时器、ＰＷＭ 输出和 ３２ 个ＧＰＩＯ 使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。本文就是 以ＬＰＣ２１０６ 为核心，设计结构简单、性能稳定的足球机 器人车体系统。

        2.3 车体系统设计

        采用输出轴配有光电编码器的小型直流电机作为驱 动电机。ＬＰＣ２１０６ 产生的ＰＷＭ 波经专门的集成电路双Ｈ 桥驱动器 Ｌ２９８ 放大，驱动左右轮电机。编码器输出两路 具有 ９ ０ 度相位差的脉冲，经正交脉冲解码，为 Ｃ Ｐ Ｕ 提 供反馈的计数值和转动方向。ＬＰＣ２１０６ 透过无线接收模 块接收主机命令，并融合外传感器电路反馈的环境变量 进行电机的 ＰＩＤ 闭环控制。ＣＰＵ 保留 ＪＴＡＧ 在线调试接 口，方便程序的编写、下载和升级。系统硬件组成原理 图如图３所示。

        （１）电机与驱动电路

        微型直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性 能和非常高的效率广泛的应用于小功率系统中。为了控 制直流电动机，采用定频脉宽调制（ Ｐ Ｗ Ｍ ） 控制。这里， 由于Ｌ Ｐ Ｃ ２ １ ０ ６ 本身就带有６ 个 Ｐ Ｗ Ｍ 输出口，直接输出 控制信号即可，无须另加电路。不过，其输出的 Ｐ Ｗ Ｍ 波功率有限，须由驱动电路放大后才能驱动电机。

        考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素，采 用了Ｌ２９８ 来代替三级管所构成的驱动电路。Ｌ２９８ 驱动电 路如图 ４ 所示。

   

         Ｌ２９８ 是恒压恒流双 Ｈ 桥集成电机芯片，可同时控制 两个电机，且输出电流可达到２Ａ。Ｌ２９８ 的ＥＮ　　Ａ（第６ 引 脚）、ＥＮ　　Ｂ（第１１ 引脚）分别与ＬＰＣ２１０６ 的ＰＷＭ４ 和ＰＷＭ６ 相连，作为调制信号。ＳＥＮＳＥ　　Ａ，ＳＥＮＳＥ　　Ｂ为电流反馈 引脚。电机控制方向引脚如表１所列。

        Ｖｓｓ 电压最小为４．５Ｖ，最大可达３６Ｖ；Ｖｓ 电压最大值 也是３６Ｖ。但经过实验，Ｖｓ 电压应该比 Ｖｓｓ 电压高，否 则有时会出现失控现象。

        （２）无线接收模块

        小车通过无线接收模块接收主机发出的命令进行运 动，通信的高速性、稳定性和准确性至关重要，它将直 接影响整个系统的采样周期。采用ＰＴＲ２０００ 模块作为控 制核心，它的显著特点是所需外围元件少，设计非常的 方便。传统的无线通信电路方案不是电路复杂就是调试 困难，ＰＴＲ２０００ 是一款基于 ｎＲＦ４０１ 芯片的无线数据收发 模块，最高通信速率为２０Ｋｂ／ｓ，工作距离为１０ｍ 内。采 用抗干扰能力较强的 Ｆ Ｓ Ｋ 调制 ／ 解调方式，其工作频率 稳定可靠，功耗极低且灵敏度极高，非常适合小型化的 设计且其频率４３３．９２ＭＨｚ 与４３４．３３ＭＨｚ 可选，很好地满 足了比赛的要求。

         图５ 给出了ＰＴＲ２０００ 与ＬＰＣ２１０６ 的接口电路图。其 中，ＤＯ、ＤＩＩＶ 与分别ＬＰＣ２１０６ 的ＴＸＤ０（１３ 引脚）和ＲＸＤ０ （１４ 引脚）相连，作为串行通信的通道。ＣＳ 为ＰＴＲ２０００ 模 块的频率选择信号，Ｐ Ｗ Ｒ 为模块节能引脚，正常工作为 高电平。ＴＸＥＮ 是模块发射接收控制，由 ＬＰＣ２１０６ 的Ｉ／Ｏ 口控制。ＰＴＲ２０００ 是收发一体的集成芯片，采用 ３．３Ｖ 供 电，可以与ＬＰＣ２１０６ 进行无缝连接。ＰＴＲ２０００ 作为发射 端与 Ｐ Ｃ 机相连时，需要通过一个电平转换器（ 这里用 ＭＡＸ３２３２）转换成ＲＳ－２３２ 电平。

 

        主机采用广播式通信方式，依次发送 １３ 个字节， 如图 ６ 所示，足球机器人根据 Ｉ Ｄ 指针去响应相应的字 节，并校验启动位及自身 Ｉ Ｄ 校验字节，进行取舍。

        （３）传感器模块

        场上形势瞬息万变，单纯依靠视觉系统，经常出现 空跑、顶牛或带球丢失等情况。为了稳定带球以及避免 碰撞，有必要增加相应的传感器来识别场上的物体，实 现避障与带球功能。

        （４）电源模块

        系统用同一电源给ＩＣ 和电机供电，电池采用８．４Ｖ 的 可充电锂电池。除直接给电机供电外，还需分出 ５ Ｖ 给 外围设备供电，由于ＬＰＣ２１０６ 是双电源供电，ＣＰＵ 内核 为１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ 口需要 ３．３Ｖ，所以电源电压经７８０５ 转换成 ５Ｖ 电压，由线性稳压器 ＴＰＳ７６８１８ＱＤ 与 ＴＰＳ７５７３３ＫＴＴ 分 别提供１．８Ｖ 和３．３Ｖ 电压。同时采用专门的电源监控芯片 Ｍ Ａ Ｘ ７ ０ ８ Ｓ ，提高了系统的可靠性。

        2.4 程序设计

        程序主要由初始化程序、串行通信程序，可调整 Ｐ ＷＭ 波输出程序、Ｉ ／ Ｏ 口控制程序组成。主函数是一个 响应中断的循环结构，如图 ７ 所示。

        Ａ Ｒ Ｍ ７ 是一个支持多个操作系统移植的芯片。使用 合适的实时操作系统（例如μＣ／ＯＳ、μＣＬｉｎｕｘ 等）来代替 循环等待结构的主程序，使程序设计的任务大大简化， 方便了系统任务的扩充，有利于系统的升级和转型。从 系统移植的角度看，Ａ Ｒ Ｍ 比传统的 ５ １ 、９ ６ 系列，甚至 Ｄ Ｓ Ｐ 单片机都具有明显的优越性。

        3 结论

        本文研究和设计一个基于 Ａ Ｒ Ｍ ７ 微处理器的车载嵌入式系统， 不仅满足了微型足球机器人控制系统的 要求，同时，也为机器人的转型应用提供了良好的技 术支持。

         参考文献

        1. 东北大学机器人研究室，微型足球机器人设计与开发——讲座 连载［Ｊ］，机器人技术与应用，１９９９（５）-２０００（４）

        2. 曹卫华，吴敏，陈鑫，基于ＤＳＰ控制的足球机器人小车的设 计与实现［Ｊ］，机器人技术与应用，２００２，２４（３）：１９-２１

        3. 周立功，ＡＲＭ微控制器基础与实战，北京：北京航空航天大 学出版社，２００３

        4. 赵臣等，微型足球机器人底层控制系统研究，哈尔滨工业大 学学报，２００３

 

本文来源：单片机及嵌入式系统应用    作者：大连理工大学 关慧贞 刘赞 魏永 王兰兰

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