基于S3C44B0X仿人机器人控制系统的设计

基于S3C44B0X仿人机器人控制系统的设计
翟流顺
【摘要】目前,国内普遍采用单片机或DSP作为控制系统的微处理器来实现仿人机器人的控制.用单片机或DSP控制机器人时占用接口资源较多,所需外围元器件也较多,对整个系统的稳定性和可靠性有较大影响.因此,基于S3C44B0X微处理器设计了一个结构开放、模块化、实时性好的仿人机器人控制系统,把每一对左右对称的关节作为控制对象,这样,机器人的动作具有较好的协调性.然后,通过实验得到机器人各姿势下的参数,最终成功实现了仿人机器人的控制.结果表明,提出的设计方案是可行的,基于S3C44B0X的仿人机器人控制系统在速度、功耗、体积、可扩展性、稳定性方面有一定的优势,具有广阔的发展空间.
【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(028)004
【总页数】3页(P524-526)
【关键词】仿人机器人;S3C44B0X;机器人控制
【作者】翟流顺
【作者单位】临沧师范高等专科学校教育技术中心,云南,临沧,677000
【正文语种】中文
【中图分类】TP242.3
0 引言
机器人学是一门迅速发展的综合性前沿学科.它涉及机械工程学、运动学、电子学、电气工程学、计算机、电子工程学、自动控制工程、人工智能、传感器、机器视觉、仿生学、模式识别与导航等多个学科，受到工业界和学术界的高度重视，是当今世界科学技术发展最活跃的领域之一［1］.仿人机器人代表机器人研究领域最高研究成果，其最终研究目标是:研制出具备人类特征(如行走、感知、思维、判断等能力)而且在相当程度上代替并服务于人类，能够与人类和谐共处的高级智能机器人.从
应用价值考虑，相对于其它机器人，仿人机器人在如下方面更有优势:首先，相对
于移动机器人，双足行走的仿人机器人具有更灵活的行走能力，能够适应各种地形，可以方便地上下台阶，具有更强的越障能力，行动盲区少.因此，仿人机器人拥有
更广阔的活动空间;其次，仿人机器人具有更高的智力水平.由于具备更强的感知、
思维、判断能力，仿人机器人更能够适应未知环境并自主完成任务;再次，仿人机
器人具有人的外形并具备良好的人机交互能力［2］.因此，在服务、娱乐等领域仿人机器人有更明显的优势.
1 嵌入式机器人控制系统的硬件设计
1.1 FLASH闪存设计
S3C44B0X对SST39VF160的读写虽然不需要专门的软件操作，但要使CPU对FLASH ROM进行正常操作，必须进行两个硬件方面的设置:大/小端和BANK0的总线宽度.S3C44B0X有一个输入引脚ENDIAN，处理器通过输入引脚的逻辑电平来定义它的大/小端，0为小端，1为大端.SST39VF160的逻辑地址被映射到
S3C44B0X地址空间BANK0区域，它可以具有多种数据总线宽度，宽度值由引脚OM1和OM0决定，由于SST39VF160的存储单元组织形式为1M×16b，因此，应设置为 OM1=0，OM0=1［3］(P385).
1.2 UART 串口设计
S3C44B0X除了具备 ARM7TDMI的内核以外，还集成了片上外设UART.这种设
计大大减少了处理器以外的器件数量，降低电路的复杂程度，减少了成本和体积，因此降低了设计开发的难度和风险.PC12，PC13，PE1、PE2 是 S3C44B0X 的多功能I/O口，使用UART功能需要在寄存器PCONC和PCONE中对以上4个
I/O口进行设置.根据设计需要，具体设置如下:PC12=0x11，PC13=0x11，
PE1=0x10，PE2=0x10.
1.3 舵机模块设计
在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是影响机器人性能的重要因素.标准的伺服马达有三条控制线，分别为:电源线，地线以及控制线.内部的直流马达及控制线路所需要的能源通过电源线与地线提供，电压通常为4～6V，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服马达会产生噪音)，甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统电源供应必须合理.
为使机器人上下肢灵活运动，本文选择的舵机主要参数如下:可控转角范围－90°～90°，控制脉宽范围 0.5 ～2.5 ms，周期 20 ms，最大扭矩/堵转扭矩0.01 kgm，最大速度/空载速度10 rad/s.舵机采用的驱动信号是脉冲宽度调制信号(PWM)，即在20 ms的周期内，输入0.5～2.5 ms的脉冲信号，对应的转角范围为－90°～90°，转角与脉冲宽度基本成线性关系.
1.4 PWM波形发生器
PWM(脉宽调制)在电机的控制中应用十分广泛，S3C44B0X具有6个16位的定时器，其中定时器0，1，2，3，4 具有输出 PWM(脉宽调制)波形的功能［3］(P455).由于这 5 个定时器已经全部集成在S3C44B0X芯片上，所以不需要在PWM输出上增加任何电路.定时器的时钟源由主时钟(MCLK)通过时钟分割器分割和除法器得到，定时器输入时钟频率=MCLK/(预分频值+1)/除法器的值.
1.5 电源模块设计
移动机器人自身装载电池，甩掉牵引电缆，这对提高机器人的性能，尤其改进移动
性能是非常有益的.考虑到机器人的可移动性，选择可充电的电池作为电源.电池选择标准如下［4］:
1)电池容量:电池容量应该足够提供整个机器人运动所需;
2)电压大小:因舵机供电要求范围较宽，电池电压应该根据所选择的舵机型号而定;
3)电池内阻:电池的内阻应该尽可能小，以减少功耗;
4)充电重用率:为降低成本，充电电池可充电次数多;
5)电池体积:为了减小整个系统体积，电池体积应尽可能小.
整个系统的电源供电主要有2个部分:S3C44B0X逻辑控制电路供电和舵机供电.为了减少两个供电系统之间的噪音干扰，采用两组可充电电池组分别给逻辑控制电路和舵机供电.为了适应不同模块对电压的要求，采用三端正电压稳压器7805，输出的5 V电压给S3C44B0X及其外围接口电路、无线通信模块等供电.同时，由于舵机消耗电流较大，因此采用两个7806并联后输出的6 V电压给舵机供电，输出电流高达4 A，完全能满足本文控制系统多个舵机同时工作的要求.
2 嵌入式机器人控制系统的软件设计
软件设计主要是实现PWM信号输出以及字符收发.其中，字符收发子程序是为了将来能实现机器人远端控制，使机器人摆脱距离的限制而设计.
2.1 PWM 模块
硬件实现不需要编写程序，实现起来比较简单，精度也较高，不占用CPU时间.但是由于硬件端口有限，最多可以实现5路PWM信号输出.软件实现，需要编写控制程序，原则上一个定时器可以实现多路输出.缺点是PWM波形不够精确，占用大量CPU时间.软件实现的基本思想是:利用定时器实现一个时间段的定时，然后定义一个定时器中断，在一个循环结构程序中，来实现n个定时器时间段的I/O 口电平高低切换控制［5］.
2.2 串口通信模块程序
实现串口通信有3个步骤，因此包含3个程序，分别是:
(1)UART初始化子程序
(2)字符发送子程序
(3)字符接收子程序
3 实验结果
实验结果如表1所示.其中m0～m4为仿人机器人右侧关节(从下到上，分别为踝
关节，小腿关节，大腿关节，肩关节，肘关节)，m5～m9为相应的左侧关节.
表1 仿人机器人各姿态下PWM信号参数(t/ms)m0 m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9直立1.4 1.5 1.5 1.1 1.4 1.4 1.6 1.5 1.1 1.5前90° 1.4 0.6 1.5 1.1 1.4 1.4 2.5 1.5 1.1 1.5后90° 1.4 2.5 1.5 1.1 1.4 1.4 0.7 1.5 1.1 1.5手向地 1.4 1.5 2.4 1.1 1.4 1.4 1.6 0.5 1.1 1.5手仰天 1.4 1.5 0.6 1.1 1.4 1.4 1.6 2.5 1.1 1.5臂侧展
1.4 1.5 1.5
2.0 1.4 1.4 1.6 1.5 2.0 1.5手90° 1.4 1.5 1.5 1.1 0.5 1.4 1.6 1.5 1.1
2.5
4 结论
结果表明，本文提出的设计方案是可行的.基于S3C44B0X的仿人机器人控制系统在速度、体积、可扩展性、稳定性方面有一定的优势，具有广阔的发展空间.但是，在有外部干扰的情况下，系统的稳定性会受到影响，应当引起足够的重视.
参考文献:
［1］于秀丽，魏世民，廖启征.仿人机器人发展及其技术探索［J］.机械工程学报，2009，45(3):71－75.
［2］史晓敏.基于NiosII仿人机器人控制系统的设计［D］.昆明:云南大学，2008.5.
［3］田泽.嵌入式系统开发与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，
2005.1:385.
［4］黄魏炜，胡颖坚.基于S3C44B0X的移动机器人的设计［J］.机电工程.2006，23(12).
［5］李江乐.基于S3C44B0X的嵌入式地面小车机器人半自主控制系统的研究［D］.昆明:云南大学，2008.5.。