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 微处理器选型
传统的微处理器如51、96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CPU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路。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90度相位差的脉冲,经正交脉冲解码,为CPU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(PWM)控制。这里,由于LPC2106本身就带有6个PWM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PWM波功率有限,须由驱动电路放大后才能驱动电机。