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移动机器人控制系统设计方案探究
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2017-10-16
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分享到：标签：嵌入式Linux 模糊控制 共享内存 移动机器人
随着科学技术的发展和社会的需要，移动机器人技术得到了迅速发展，正在渗透到各行各业中，使人们的生活更加便利。现今以单片机为核心的移动机器人存在处理数据量有限、控制系统速度低、人机交互机制单一等缺点，不能满足机器人多任务的要求。系统中增加协处理器的系统结构也得到了广泛应用，虽然可以管理多种传感器，但这种结构却增加了硬件的冗余度和复杂度，见参考文献。为此，提出了以嵌入式处理器S3C2440为核心的多任务机器人控制系统。
1控制系统硬件设计
控制系统选用两轮独立驱动小车为移动式机器人平台，后轮为一个尼龙万向轮。处理器为三星公司的S3C2440，系统主频最高可达533 MHz，外接512 MB的NAND Flash和64 MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，满足移动机器人控制系统的需求，如图1所示。
图1系统硬件组成
整个控制系统工作过程如下：语音识别芯片LD3320通过SPI总线接口接人ARM处理器，处理器可以对识别的结果进行分析和汇总，并通过查表提取出操作人员的命令码；同时，处理器通过串口读取机器人当前的航向信息；超声波测距和红外线地面检测模块由处理器的GPIO引脚控制；通过控制两自由度的云台，可以进行多方位的超声波障碍物检测，利用LD3320模块的MP3播放功能播放所检测到的障碍物距离和路况信息。控制系统根据传感器的数据和所识别的操作人员的命令码，利用信息融合技术提取环境特征，通过路径规划技术作出决策，控制电机状态，最终控制机器人的姿态。
2控制系统软件设计
在软件设计中，将系统中所有要处理的任务划分为不同的、相互独立的任务模块。根据系统的性能指标和技术要求，可将任务划分为：语音识别、航向测量与计算、超声波测距、电机控制、信息处理等任务。
2.1进程的创建与状态转换
移动机器人控制系统在初始化完成后，利用系统调用fock机制分别为语音识别、航向测量与计算和超声波测距等任务产生相应的子进程，实现方式如图2所示。进程创建成功后，操作系统会根据调度算法进行进程调度，这使系统在行驶过程中，能够及时响应语音命令。
图2系统多进程设计的实现方式
2.2进程间通信机制
在信息处理进程中，需要对不同任务返回的有效数据进行信息处理和融合。由于不同进程的数据段、堆栈段是相互隔离的，因此，采用共享内存的进程间通信方式，在程序中可以使用shmget从系统中取出一块未使用的物理内存并映射到用户空间，如图3所示。
图3共享内存机制示意图
在两个进程之间建立共享内存的具体实现步骤如下：
①在调用fock（）前，使用shmget创建新的共享内存，返回值为共享内存标识码：
shmid = shmget（IPC_PRIVATE，1，PERM）
//申请一个字节共享内存
②调用fock（）函数，创建子进程，根据fock（）的返回值区分父进程和子进程，并分别在两个进程中使用shmat映射一块共享内存，即允许当前进程访问创建的共享内存：
if（fock（）） p_addr= shmat（shmid，0，0）；
//将共享内存映射到父进程
else{c_addr=shmat（shmid，0，0）；}//将共享内存映射到子进程
其中，shmid为shmget（）函数的返回值，即共享内存标识码。
随着科学技术的发展和社会的需要，移动机器人技术得到了迅速发展，正在渗透到各行各业中，使人们的生活更加便利。现今以单片机为核心的移动机器人存在处理数据量有限、控制系统速度低、人机交互机制单一等缺点，不能满足机器人多任务的要求。系统中增加协处理器的系统结构也得到了广泛应用，虽然可以管理多种传感器，但这种结构却增加了硬件的冗余度和复杂度，见参考文献。为此，提出了以嵌入式处理器S3C2440为核心的多任务机器人控制系统。
1控制系统硬件设计
控制系统选用两轮独立驱动小车为移动式机器人平台，后轮为一个尼龙万向轮。处理器为三星公司的S3C2440，系统主频最高可达533 MHz，外接512 MB的NAND Flash和64 MB的SDRAM，支持SPI、I2C、UART等接口，满足移动机器人控制系统的需求，如图1所示。
图1系统硬件组成
整个控制系统工作过程如下：语音识别芯片LD3320通过SPI总线接口接人ARM处理器，处理器可以对识别的结果进行分析和汇总，并通过查表提取出操作人员的命令码；同时，处理器通过串口读取机器人当前的航向信息；超声波测距和红外线地面检测模块由处理器的GPIO引脚控制；通过控制两自由度的云台，可以进行多方位的超声波障碍物检测，利用LD3320模块的MP3播放功能播放所检测到的障碍物距离和路况信息。控制系统根据传感器的数据和所识别的操作人员的命令码，利用信息融合技术提取环境特征，通过路径规划技术作出决策，控制电机状态，最终控制机器人的姿态。
2控制系统软件设计
在软件设计中，将系统中所有要处理的任务划分为不同的、相互独立的任务模块。根据系统的性能指标和技术要求，可将任务划分为：语音识别、航向测量与计算、超声波测距、电机控制、信息处理等任务。
2.1进程的创建与状态转换
移动机器人控制系统在初始化完成后，利用系统调用fock机制分别为语音识别、航向测量与计算和超声波测距等任务产生相应的子进程，实现方式如图2所示。进程创建成功后，操作系统会根据调度算法进行进程调度，这使系统在行驶过程中，能够及时响应语音命令。
图2系统多进程设计的实现方式
2.2进程间通信机制
在信息处理进程中，需要对不同任务返回的有效数据进行信息处理和融合。由于不同进程的数据段、堆栈段是相互隔离的，因此，采用共享内存的进程间通信方式，在程序中可以使用shmget从系统中取出一块未使用的物理内存并映射到用户空间，如图3所示。
图3共享内存机制示意图
在两个进程之间建立共享内存的具体实现步骤如下：
①在调用fock（）前，使用shmget创建新的共享内存，返回值为共享内存标识码：
shmid = shmget（IPC_PRIVATE，1，PERM）
//申请一个字节共享内存
②调用fock（）函数，创建子进程，根据fock（）的返回值区分父进程和子进程，并分别在两个进程中使用shmat映射一块共享内存，即允许当前进程访问创建的共享内存：
if（fock（）） p_addr= shmat（shmid，0，0）；
//将共享内存映射到父进程
else{c_addr=shmat（shmid，0，0）；}//将共享内存映射到子进程
其中，shmid为shmget（）函数的返回值，即共享内存标识码。
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