基于 PXA270 的智能移动机器人 摘要

基于 PXA270的智能移动机器人 摘要 系统以 Intel公司的 XScale架构嵌入式处理器 PXA270为核心处理器，采用 两轮独立驱动的四轮移动机器人机构，综合避障模块、测距模块、跟踪模块、语 音系统、视觉系统和显示系统等功能设计实现了智能移动机器人。 分析了轮式移动机器人的研究及发展现状，介绍了嵌入式处理器 PXA270 的 性能；从系统总体设计的角度分析了智能移动机器人的混合式体系结构，结合智 能移动机器人的机械结构和双轮独立驱动机构，推导出其运动学模型。研究了智 能移动机器人的系统硬件总体详细设计。按照移动机器人的总体 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 和模块 化设计的思路，系统硬件总体以“功能扩展板+核心板+扩展板+功能板+运动机构” 的模式设计，采取从下至上的安装方式。并对移动机器人的实际意义和发展空间 作出 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 。 关键词： PXA270、智能移动机器人、轮式移动机器人、嵌入式系统 The Intelligent Mobile Robot Based on PXA270 Abstract The system designs and implements the intelligent mobile robot, which is based on Intel's XScale architecture PXA270 embedded processors as the core processor, used four-wheel mobile robot institution of two-wheel independent drive, integrated obstacle avoidance modules, ranging modules, tracking modules, voice system, visual system and display system , and so on. It analyses the research and development of the wheeled mobile robot, and the performance of the PXA270 embedded processor; and the robot’s hybrid architecture from the point of view of system design. It educes the kinematic model, which is combined the robot’s mechanical structure and two-wheel independent drive institution. It researches the robot detailed design of system hardware. According to the mobile robot design program and modular design ideas, its design model is “Feature expanded board + Core board + Expand board + Function board + movement institution”, and its fix model is taken from the bottom. And evaluate the development space and the practical significance of the mobile robot. Keywords： PXA270、Intelligent Mobile Robot、Wheeled Mobile Robot、Embedded System 1 概述 1.1 移动机器人概述 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体 现。移动机器人是机器人技术的一个重要研究领域，也是机器人学的一个重要分 支，其研究始于 20世纪 60年代。对移动机器人的研究，要从以下三点考虑： 1) 机器人的移动方式：可以是轮式的、履带式的，而水下机器人则是推进 式的； 2) 移动机器人的驱动控制，以使机器人达到预期的行为； 3) 机器人的避障或路径规划，这要涉及诸如传感器的信息融合、图象处理、 模式识别、神经网络、环境映射等知识。 所以，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等 多功能于一体的综合系统。移动机器人有多种移动机构形式，如：轮式移动机构、 履带式移动机构、足式行走机构、蠕动式机构和蛇行机构等，在各种移动机器人 中，轮式移动机器人（Wheeled Mobile Robot，WMR）是最常见也是最重要的移动 机器人之一，具有很高的使用价值和广泛的应用前景，目前正在向工程实用化方 向迅速发展，也是目前智能机器人技术发展的主要方向之一。其具有承载能力大、 移动速度快、运动稳定以及能源利用率高等特点。 依照车轮数来分类，轮式移动机器人主要分为：独轮（Unicycle）与双轮 （Double-wheels）机构、三轮机构、四轮机构、全方位移动机构。[9] 本系统是以两轮独立驱动的四轮移动机器人机构为基础开展的研究和设计。 1.2 Intel PXA27X嵌入式处理器介绍[7] 英特尔的 PXA27X 系列嵌入式处理器提供了业界领先的多媒体性能，更低的 功耗，丰富的外设集成，以及第二代内存堆栈技术。它的设计面向于无线客户端， 吸收了从 PXA255 处理器问世以来到最近英特尔在移动领域取得的先进技术，这 使得它能够满足大多数在移动领域的应用需求。 PXA27X 嵌入式处理器是英特尔首次在个人的互联网客户端架构处理器 （PCA）中集成无线 MMX 技术，使得它拥有高性能，低功耗的多媒体加速能力， 能够很好的支持 MPEG4 和 MP3 解码；通过结合 Quick Capture 技术，它可以支 持高达 400 万像素的摄像头；它的主频可以设置在 104MHz 到 624MHz 之间；它 内建 256K 字节的 SRAM，支持英特尔 StrataFlash 内存；SpeedStep 省电技术；支 持 Baseband 接口、USB on-the-go（OTG）。 2 移动机器人的运动学模型[6] 移动机器人 E-Star 采用独立双轮驱动模式，前后带有辅助轮的方式，如图 2-1 所示，通过控制左右驱动轮的转速差实现前进、后退、转向等各种基本的动作， 当旋转半径为零时，由于能绕车体中心旋转，所以非常有利于在狭窄场所中改变 方向。 图 2-1 两轮独立驱动的四轮移动机器人机构 建立坐标系说明移动机器人的运动学模型，具体坐标系和运动参量如图 2-2 所示。 θ V VR VL 2R L x y xi yi 图 2-2 移动机器人 E-Star的运动示意图 如图 2-2 所示，V 代表机器人质心的线速度；VL和 VR分别是左右轮的线速 度；R 为左右轮的半径；L 为两轮的间距；x，y 代表机器人质心的二维平面坐标。 则移动机器人满足刚体运动规律，运动方程（2-1）和（2-2）成立。 RVRV RRLL   ， （2-1） 2 LRLR VVv L VV     ， （2-2） 式（2-1）和式（2-2）中，ω L 和ω R 分别代表左右轮的角速度，ω为质心的 角速度，v 为质心的线速度。由式（2-2）可知，当 VL=VR时，质心的角速度ω为 0，即机器人沿直线运动；当 VL=－VR 时，质心的线速度为 0，则机器人可实现 原地转身，即此时机器人将以零半径转弯。按照公式（2-2）计算得到 VL 和 VR 即可实现移动机器人的运动控制。 若将式（2-1）代入式（2-2），可得 RvR L LRLR 2       ， （2-3） 而机器人的质心运动方程为   ，， sincos vyvx （2-4） 将式（2-3）代入式（2-4），得 cos cos 2 2 sin sin 2 2 R L R R x R R y R R L L                                         （2-5） 方程（2-5）中各变量相互关联，设计控制器时比较复杂，为此，先进行解耦 处理。因为 θ 只与质心的角速度有关，x、y 只与质心的线速度有关，故可将控制 变量转为质心的线速度和角速度。方程如下： cos 0 sin 0 0 1 x v y                                （2-6） 再将左右轮角速度表示成质心的角速度和线速度，即 1 1 2 2 R L L L v v R R R R         ， （2-7） 由上式可知，根据移动机器人（质心）设定的目标线速度和角速度即可分别 求得左右轮的实时角速度，从而通过电机驱动机构完成速度调节，实现移动机器 人运动方向和速度的实时控制。 然而，在实际应用中，由于编码器检测车轮的旋转的分辨误差、负载使车轮 的等效半径产生变化、加速度及旋转产生的离心力使车轮的等效半径变化以及路 面的凹凸和倾斜等因素的影响，使上述公式并非严格成立。通常采用多种方法综 合采用的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 来完成移动机器人的运动控制。 3 移动机器人的体系结构[5] 机器人 E-Star 采用的混合式体系结构，按功能从上至下依次将个体机器人 E-Star 控制系统分为 4 层：  任务协调层  行为规划层  行为控制层  运动控制层 如图 3-1 所示，任务协调层和行为规划层构成上层控制，行为控制层和运动 控制层构成底层控制。上层控制通过对传感器感知的环境信息和机器人的运动状 态等信息的分析和推理，有效实施对底层控制中各功能模块的任务调度和故障处 理，以保证移动机器人整体运行的高效和可靠性；底层由各自独立的功能模块组 成，分别完成对光电码盘、接近、红外、超声传感器信号的处理以及运动控制、 定位、寻迹、避障、漫游、定点运动等功能。各层之间通过总线方式进行通信， 以实现两者之间的信息交换。机器人之间以及机器人与地面控制台之间采用扩展 无线通信模块通信，以完成它们之间的信息交换。 1. 任务协调层 任务协调层可以完成下列主要功能：  通过扩展无线通信模块接收来自地面控制台或其他机器人的任务；  通过总线接收来自下层的任务请求以及机器人本身的运动状态和环境信 息；  基于机器人的运动状态和环境信息，对接受的任务进行分解、综合和协调；  通过扩展无线通信模块将任务协调行为以及当前机器人的运行状态和环 境信息传送给地面控制台或其他机器人；  通过总线将机器人应执行的任务传送给行为规划层。 2. 行为规划层 行为规划层对通过总线接收到的来自行为控制层和运动控制层的码盘、接近、 红外、超声、路径等多传感器信息进行融合处理，生成机器人所在位置的环境信 息，同时将融合信息和机器人的当前运行状态通过总线传送给任务协调层。基于 这些多传感器融合信息，根据接收到的来自任务协调层的任务指令，规划出机器 人所应采取的具体的行为模式，并将此行为模式通过总线传送给行为控制层和任 务协调层。行为规划层在规划行为的过程中，如果需要其他机器人的协作，则可 通过总线向任务协调层提出任务协作申请。 任务接收 信息发布 任务协调 任务接收 信息发布 任务分解、任务申请 信息综合 行为规划 传感器 信息融合 超声测距信号 处理 定点运动 红外测距信号 处理 漫游 接近信号处理 避障 码盘信号处理 码盘定位 传感器信号 预处理 位置速率 伺服 马达控制 传感器 执行机构 环境 其他机器人 任 务 协 调 层 行 为 规 划 层 行 为 控 制 层 运 动 控 制 层 接近信号包括： 碰撞信号、红外 信号 路径信号处理 寻迹 路径信号包括： 光敏信号、地面 灰度信号 图 3-1 机器人 E-Star功能体系结构 3. 行为控制层 行为控制层接收来自行为规划层的行为控制命令，实现移动机器人自主行动 所应采取的各种具体的行为模式。通过超声、红外、接近、码盘信号处理模块提 供的信息，可实现机器人定点运动、漫游、避障和定位等。 4. 运动控制层 运动控制层涉及到机器人环境感知和运动控制等硬件系统，包括传感器信号 预处理、转向控制、加速度控制、速度控制、位置伺服等模块，是机器人完成各 项任务和实现各种自主行为的基础。 4 系统总体设计[7][8] 4.1 系统硬件总体结构设计 基于PXA270的智能移动机器人利用ARM9处理器的高处理能力来提高机器 人的响应速度，有助于机器人运动的平稳性。基于这种混合式体系结构设计的移 动机器人的硬件总体结构如图 4-1 所示。 网络 接口 USB 接口 串口、 JTAG PXA270 红外测距 电机控制器 执行部件层1 层2 层3 层4 层5 红外传感器 光敏传感器 ×2 地面灰度检测传感器×2 碰撞传感器 光电编码器 语音 系统 SDRAMNOR FLASH LAN 视觉 系统 显示 系统 超声波 测距 扩展A/D 触摸屏检测 ×2 扩展I/O口 系统 供电 扩展无线通 信接口 核心板 图 4-1 机器人硬件总体结构 注：层 1——执行部件；层 2——传感器系统；层 3——系统扩展板；层 4— —PXA270核心板；层 5——系统功能扩展板。 将移动机器人硬件系统安装功能分成 5层，采用可拆卸式组合方式，便于调 试和系统需求实时改动及扩展，各层完成功能分别是：  层 1是执行部件，是机器人运动的基础；  层 2是传感器系统，包括电机控制器及光电编码器测速系统接口、机器人 供电系统、扩展 A/D模块、红外传感器、红外测距模块接口、地面灰度检测传感 器、碰撞传感器、触摸屏检测、光敏传感器等；  层 3 是系统扩展板部分，包括系统调试接口（JTAG、串口）、语音系统、 网口、核心板供电电源；  层 4是 PXA270核心板部分，包括 PXA270、SDRAM、NOR FLASH、LAN芯片；  层 5是系统功能扩展板，扩展了机器人的视觉系统、显示系统、超声波测 距系统以及通过扩展无线通信模块实现无线通信功能； 注：系统将层 2和层 5有机的结合在一起，使用两块相同的电路板，通过配 套相应的器件将其功能分开。 图 4-2 移动机器人前视图 图 4-3 移动机器人核心板+扩展板剖视图 图 4-2 为移动机器人前视图，图 4-3 为移动机器人核心板+扩展板剖视图， 在元器件使用上系统大量采用村田公司的 0805封装 GRM218系列片状独石陶瓷电 容器、0805封装电阻，增强了系统的稳定性、可靠性。 4.2 系统硬件构成[1][2][3][4] 基于 PXA270 的智能移动机器人的硬件构成如下： 1) 中央处理器——INTEL 公司的 PXA270 嵌入处理器，型号为 PXA270C5C520， 23mm×23mm 封装，主频 520MHz，工业级； 2) 外部存储器  内存：64MByte SDRAM（2 片 16 位 SDRAM 芯片组成 32 位接口）；  Nor Flash：8MByte 存储器（2 片 Intel E28F320J3A110 组成 32 位接口）； 3) 串口——1 路 3 线标准异步串行口，波特率高达 921600bps； 4) 网络接口——1 个 10M/100M 以太网接口，板载联接和传输指示灯； 5) USB 接口  1 个 USB HOST 接口；  1 个 USB DEVICE 接口；  以上两个 USB 接口，均为 USB 1.1 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 接口，均支持全速（12Mbps）或 低速（1.5Mbps）传输； 6) 音频接口  AC’97 音频 CODEC，支持立体声音乐播放、录音和触摸屏；  左右声道立体声输出；  1 路麦克风信号输入；  板载左右声道立体声喇叭（选用 2 个 1W/8Ω 规格喇叭）实现机器人的语 言能力；  板载驻机体话筒可直接录音用于实现机器人的听觉；  外置 3.5mm 立体声耳机插头和 3.5mm 麦克风插头； 7) 视频和触摸屏接口  配置夏普 256K 色 320×240/3.5英寸 TFT液晶屏，带触摸屏；  支持黑白、4级灰度、16级灰度、256色、4096色 STN液晶屏，尺寸从 3.5 寸到 12.1寸，屏幕分辨率可达到 800×600像素；  支持黑白、4 级灰度、16 级灰度、256 色、64K 色、真彩色 TFT 液晶屏， 尺寸从 3.5寸到 12.1寸，屏幕分辨率可达到 800×600像素；  扩展接口引出了 LCD 控制器和触摸屏的全部信号； 8) 摄像头接口——配置 130 万像素摄像头； 9) RTC 时钟——PXA270 片内 RTC 实时时钟； 10) 调试及下载接口  1 个 20 芯 Multi-ICE 标准 JTAG 接口，用来进行程序的 Nor Flash 的烧写；  1个 25芯的并口扩展了 JTAG接口，便于调试； 11) 电源接口  电池充电接口，输入 12V；  电池供电接口，输入 9V~12V；  机器人使用外部适配器供电接口，输入 9V~12V；  核心板及扩展板单独调试供电接口，输入 5V； 12) 传感器接口  2 个电机控制器；  2 个光电编码器；  碰撞传感器；  2 个地面灰度检测传感器；  2 个光敏传感器；  红外传感器；  红外测距模块；  超声波测距模块；  电池供电接口，输入 9V~12V； 13) 其他  扩展 68 个 GPIO 接口；  扩展 1 个 2×2 的矩阵式键盘、1 个复位按键、2 个工作状态指示灯、2 个 电源指示灯、1个充电指示灯；  扩展 8位高速 A/D模块。 5 本课题的意义 我们研究开发了两轮独立驱动的四轮移动机器人。它是一个性能优良、功能 强大的机器人硬件平台，除了能够实现复杂的运动功能，它还具有视觉、听觉、 语音、避障、测距、跟踪、显示等功能。智能移动机器人选用功能强大的 Intel XScale 架构嵌入式处理器 PXA270 作为核心处理器，构建了完善的嵌入式机器人控制系 统；采用 Linux 操作系统，满足了机器人软件算法的模块化、可移植性、可再生 性已及整个控制系统的可移植性。随着控制系统研究的深入，各种复杂的控制算 法不断涌现，这无疑会增加程序代码数量和软件算法的复杂度，面对这些问题， 智能移动机器人就能迎刃而解。 同时，智能移动机器人采用模块化设计，具有很高的系统集成度和广泛的功 能扩展空间，很好的兼顾了移动机器人系统的通用性和实用性要求，可根据使用 场合的需要选用合适的功能模块，其核心板+扩展板+功能板的组合模式便于调试 和系统扩展。智能移动机器人的核心板+扩展板同时又是一款非常实用的 PXA270 的开发平台，可直接应用于其它设计中，缩短了设计周期和设计难度，具有很强 的指导意义。 另外，智能移动机器人由于集成有 PXA270 开发平台、避障模块、电机驱动 模块、测距模块、跟踪模块等多种功能单元，因此，可作为数字电子技术、自动 控制技术、传感器技术、路径规划及人工智能等多学科多领域的通用实验平台。 参考文献 [1]Intel. 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