基于ARM+DSP的小型地面移动机器人控制系统

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小型地面移动机器人是上一世纪90年代提出的一种新型的机器人，由于其在军事侦察、反恐防暴、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中广阔的应用前景，使其迅速成为一个重要的研究热点。小型地面移动机器人具有体积小，成本低，生存能力强，运动灵活等特点。由于其应用场合特殊，所以特别要求这类机器人重量轻、体积小、能耗低、实时性好、操作实用可靠。
        本文介绍了一种具有多运动模式的小型轮履复合式移动机器人，并结合危险环境下移动机器人的应用要求，对其控制系统的设计与实现进行阐述。
        研制完成的小型地面移动机器人采用了轮履复合机构，如图1所示。这种机构为其提供了多种运动模式:轮式、履带式、腿式以及其它多种运动姿态，这为机器人在复杂环境中的运动提供了必要的机构保证。它不仅可以利用轮子进行高速运动，而且可以利用四个独立控制的摆臂实现爬越台阶、楼梯、凸台等越障运动。多种运动模式极大地提高了机器人的越障能力和环境适应能力。机器人控制系统采用了ARM＋DSP结构的嵌入式控制系统以及遥控/半自主的工作方式，使得机器人工作更具实用性，而嵌入式控制系统则保证了控制系统重量轻，体积小、实时性好、可靠性高的要求。

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图1  小型地面移动机器人外形图

控制系统功能要求
        小型地面移动机器人的控制系统将硬件系统、传感器、驱动控制以及遥操作控制等综合起来，集成驱动、控制、传感和能源等于一体，首先要求具有小型化、轻量化的特点，因此要求控制系统尺寸小、重量轻、功耗低，能集成在机器人本体内。其次，实时性是对控制系统的另一个基本要求，对于在不确定环境下的信息采集、处理以及相应越障动作的规划与处理对机器人控制系统的实时性提出了更高的要求。另外，要实现一个全自主的移动机器人的运动控制将有诸多工程和技术方面的实际困难。遥控加半自主的工作方式是目前普遍采用的最实用的控制方式，是解决机器人智能发展水平与复杂任务要求之间矛盾的一条有效途径。为了在复杂环境中获取有效的信息，机器人必须配置各种类型的传感器。所以，针对机器人系统的作业性能要求，配备合适的传感器系统作为移动机器人的感知系统是非常重要的。
        依据机器人系统的总体结构，整个机器人系统由移动平台、车载控制系统、遥操作系统和传感检测四大部分组成。对机器人控制系统的总体要求可归结为:
        接受高层的指令实现机器人运动;
        实现机器人4个摆臂的独立控制和同步联动控制，并可以完成运动模式的切换与姿态控制;
        控制系统小型化、轻量化、操作灵活方便;
        系统灵活性好，实时性高，具有良好的开发性和可扩展性;
        具有遥控半自主的工作方式;
        具有视觉反馈功能;
        具有感知自身状态和环境的传感系统，为遥操作或机器人行为决策提供依据。
控制系统体系结构
系统组成
        从系统角度看，移动机器人由近端操作人员、远端移动机器人和运动环境现场所构成，整个系统的组成示意图如图2所示，由此构成了人－机器人－环境三者相互紧密联系的一个整体。
        操作人员在遥操作端根据作业任务要求，通过遥操作平台的人机交互接口，借助反馈信息控制机器人完成特定的作业任务。远端机器人的反馈信息包括了运动现场的环境信息，如路面的起伏变化、障碍物状况、室内外环境状况等，也包括了机器人自身的位姿信息，如运动速度、加速度、各摆臂的关节角度变化、机器人本体姿态等，而操作人员依据终端反馈的信息，根据特定作业任务的要求发送操作与控制指令信息，控制机器人前进、后退、转向、摆臂摆动、切换运动模式、越障等运动。

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图2 系统组成示意图

体系结构
        控制系统采用了分层递阶的体系结构，使得机器人系统可以从最高层的遥操作端到低层的伺服运动控制与传感检测，依照其功能特点逐步分层。具体划分为管理协调层、运动规划层，运动控制层和传感反馈层，如图3所示。

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图3 机器人系统分层体系结构

        管理协调层位于系统的最顶层，具有最高的智能水平，由操作人员通过遥操作平台负责对整个机器人的管理与控制。规划控制层由机器人的中央控制机器计算机担任，根据作业任务指示以及传感系统的反馈信息，进行运动规划，形成具体的作业指令。运动控制层负责完成机器人的伺服控制与运动执行，它由分布在MOBIT本体内的驱动控制器、轴角编码器和伺服电机等伺服环路组成，将来自任务规划层的动作序列转换成各关节的协调动作，通过发送运动控制命令给电机驱动器，并通过获取电机光电码盘信号完成对电机的伺服控制驱动各电机运动，从而完成操作人员所赋予的作业任务。传感反馈层位于移动机器人的最底层，用于与环境的直接交互，其功能是获取环境信息和机器人自身状态信息，经A/D转换后通过总线和I/O通道分别传送给运动规划层和运动控制层。
ARM+DSP控制模式
        车载计算机系统是整个系统中最重要的部分。由于小型地面移动机器人在体积、重量等方面的限制和低功耗、高性能、实时性等方面的要求，所以对车载计算机控制系统的设计必须采用合适的控制系统、软硬件结构及其有效的控制模式。目前机器人控制系统，根据其硬件构成和控制信息处理方式不同，可分为:单机集中控制、双机主从控制、单机＋多轴运动控制卡、多机主从分布控制方式等多种模式。
        根据控制器的实现模式及其特性的分析，结合MOBIT机器人在体积、重量、功耗、实时性等方面的要求以及现有计算机技术的发展状况，本文提出了基于ARM+DSP为控制模式的嵌入式控制系统，其结构如图4所示。

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图4  ARM+DSP控制结构

        一方面，这种多机主从分布控制方式具有很高的工作速度和控制性能，对于任务的均衡、提高实时性等都有着明显的优势，更容易实现分层结构与分布控制。另外，各种高性能嵌入式器件的发展，为构造嵌入式机器人控制系统提供了硬件基础。设计中采用了上下两级分布、CAN总线通讯的体系结构，系统的上位计算机由嵌入式ARM7构成，并通过CAN总线与DSP相连，整个嵌入式计算机控制系统置于移动机器人本体内部，构成移动机器人的运动控制系统。ARM7作为机器人主控计算机负责系统的初始化、远程通讯、人机交互、组织管理、任务规划以及与下位机DSP的通讯。各DSP接受来自上位机的控制指令，按规定的协议进行转换、解释，并通过电机伺服控制器完成对电机的伺服控制。DSP在执行运动指令的同时还将运动的执行情况反馈给上位计算机，与上位机进行信息交换。采用嵌入式系统，其处理能力接近PC机的水平，但整体体积更小，另外，基于PC的控制系统通常采用Windows操作系统，其实时性需要由底层的硬件平台来保证，而嵌入式控制器内嵌实时操作系统(RTOS)，具有实时性、低成本、小型化、专用化和高可靠性的优点，完全保证了控制系统的实时性要求。
控制系统硬件设计
硬件构成
        图5表示机器人控制系统总体硬件结构图。在遥操作端，通过无线通讯实现遥操作计算机与机器人上位主控计算机的通讯，以便能够对机器人本体的状态及环境信息进行监控，并控制机器人运动。上位计算机采用了基于三星ARM7TMDI芯片的ARM7开发板EC2020作为运动规划层处理系统，下位机采用DSP2812芯片作为运动控制层的处理器负责实时性要求较高的伺服驱动控制，上下位机通过CAN总线来通讯。驱动器采用了专用直流有刷电机驱动器并通过和电机集成的差分式光电码盘来完成。考虑到运动控制层的开放性、可扩展性以及将来其它传感器的接入，系统共使用8片DSP芯片，采用分布式控制方式，每个DSP芯片使用PID算法单独控制一台电机。机器人的传感器系统包括有:CCD、双轴倾角仪、罗盘、超声传感器以及与电机集成的光电码盘。

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图5 控制系统硬件组成

ARM7
        随着对高处理能力、实时多任务、网络通信、超低功耗需求的增长，高端嵌入式处理器已经得到了普遍的重视和应用。基于RISC架构的ARM处理器以其高速度、低功耗、高性能、小体积等诸多优点而成为各类产品中选用较多的嵌入式处理器。特别是以ARM微处理器所构成的嵌入式系统以其优越的特性迎合了智能机器人对于体积、重量、功耗、实时性等方面的不断要求。
        笔者选用了基于ARM7TMDI芯片的ARM7开发板EC2020作为运动规划层主控计算机构成嵌入式控制系统，如图6所示。EC2020是一款功能强大的微功耗的嵌入式数据采集控制器，具备丰富的外围接口(调试接口、A/D、I/O、USB、CAN、PWM、键盘、LCD等)，可广泛应用于工程车辆运行参数控制、电力系统及各种环境监控领域，价格低廉、品质优良、可靠性高，是一款微功耗一体化控制器。EC2020板载RS485串行接口和CAN总线接口，通过无线串行通讯收发器与遥操作计算机进行无线串行通讯，通过CAN总线与运动控制层处理器和传感反馈层进行通讯。

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图6  ARM7开发板EC2020

DSP2812
        下位机采用DSP2812芯片作为运动控制层的处理器负责实时性要求较高的伺服驱动控制。目前，采用高速、高性能的DSP进行机器人控制已逐步成为主要的控制方式之一。采用高性能DSP伺服控制不仅充分发挥其信号处理能力强、实时性高等特点，而且更适合于智能移动机器人的小型化、强功能的要求。
        DSP作为机器人控制器在高精度伺服控制中的应用主要体现在:
        DSP用于机器人的运动控制系统，特别适合解决与复杂的算法有关的控制问题。
        在智能机器人中使用DSP，将大大地提高机器人在目标识别、运动规划、避障能力等方面的能力。
对于小型机器人更能显示出芯片重量轻、体积小、功能强的特点，为实现机器人的小型化、轻量化提供了很好的条件。
        使用DSP芯片开发的伺服控制系统，完全可以满足通讯的要求，而且除了可以完成伺服控制以外，还可以实现如故障处理、报警等功能。
        TMS320DSP2812除了具有一般DSP的优点外，它还采用高性能静态CMOS技术，电压从5V降为3.3V，减少了功耗。并且指令执行速度提高到40MIPS，使其可以通过采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高系统的性能，而且它具有电机控制应用所必需的外设。相比专为数字电机控制而设计的TMS320LF2407A来说，TMS320DSP2812的处理速度LF2407的5倍，其AD转换模块为12位，转换精度更高。在机器人系统中，选用了DSP2812作为运动控制层的处理器，其主要优点体现在:高精度、高可靠性、高集成度以及高灵活性。图7所示为DSP2812电机控制板。

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图7 　DSP2812电机控制板

伺服控制
        在控制器设计中既考虑了与主控制器ARM7的协调通讯，又考虑了机器人的实时控制性能、伺服控制精度，并且能在伺服控制器上进行控制优化和将来的功能扩展。从图4可以看出，基于ARM+DSP的网络直流伺服驱动器是用于对机器人的8个电机进行伺服控制。
        采用直流有刷电机(Maxon DC Motor)作为执行元件，具有体积小、输出力矩大、控制简便等特点。增量式光电码盘具有测量精度高，机械结构简单的特点，在机器人设计中被广泛采用。码盘集成于电机尾部，属于差分型增量式光电码盘。两路正交的编码脉冲信号经DSP4倍频后，电机每转将输出4000个脉冲信号，这将大大提高机器人的控制精度。DSP运动控制单元的系统结构如图8所示。驱动器采用了专用直流有刷电机驱动器并通过光电码盘来完成。所选用的电机驱动器内部采用PWM原理对电机的转速进行控制，同时设计有电流限制电路，避免了PID算法在电机刚启动时将全压作为输入而引起电流过载。
        机器人的运动控制包括4个履带和轮子的运动控制以及4个摆臂的摆动控制，控制方法相同，其速度和输出力矩的区别依赖于与电机集成的减速器的差别。

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图8  电机控制单元结构图

CAN总线通讯
        移动机器人控制中很重要的一个方面是组成系统的通讯网络结构。CAN总线(Controller Area Network)是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，已成为一种总线标准。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1Mbps，通信距离可达10km。其最大特点是纠错能力强，支持差分收发和高实时性高可靠性，已在工业自动化、建筑物环境控制、机床、医疗设备、机器人等领域得到了较广泛的应用。
        机器人控制的信息量大，对通信方面的要求很高，要保证各种信息在控制系统中及时准确的传输，通信工具的选择十分重要。设计中充分利用了TMS320DSP2812中CAN总线模块的功能，将8个下位机DSP控制板与主控计算机ARM7一起构成一个基于CAN 总线结构的控制网络，以实现数据的高速传输，其总线网络如图9所示。
        在机器人控制系统中，由于要实现复杂的运动控制，除了机器人的前、后、转向运动以外还包括各个摆臂的运动，而且各个摆臂的控制要准确、可靠，各个运动要实现协调控制以便完成复杂的越障动作。采用CAN总线通讯方式使得与机器人各部件相连每一个CAN总线控制器都同时具有数据传输和现场控制功能，各个DSP与ARM间的通信实时性得以保证。各底层DSP控制器通过总线连接，只要所有器件都遵守相同的通讯协议，就可以稳定可靠的进行信息传输。这种通讯方式降低了连线的复杂程度，提高了通讯速度，增强了系统的稳定性。由于只用两根线进行通讯，结构十分灵活，可以满足设计要求。

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图9  控制系统CAN总线网络

传感器系统
        由于系统要求机器人可以实现半自主的运动，所以，机器人系统包括了必要的传感器系统。
视觉传感器
        视觉系统作为移动机器人实时感知远端环境信息以及为机器人自主运动提供丰富的信息的重要手段，是机器人不可或缺的部分。考虑到视觉传输、处理量大，对主控计算机的容量、速度等要求很高，设计中采用了单独的视觉处理计算机来完成视觉系统的处理与传输。
测距传感器
        测距传感器笔者选择了高精度的超声传感测距传感器(SRF08 Ultra sonic range finder)，如图10所示，作为感知机器人与环境障碍的距离信息。该传感器的检测范围可以从最短的3cm到最远的6m范围内检测距离信息，远距离的检测通过障碍物的感知和测距来完成避障、跟墙等运动，而近距离的检测则可以用于和障碍物的交互越障。另外，该传感器还具有体积小、重量轻、工作稳定可靠等特点，属于高性能超声传感器一类。

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图10  SRF08 Ultra sonic range finder

姿态感知传感器
        除了要能够感知复杂地形的存在之外，机器人还要能够获取足够的有关自身状态的信息。一个重要的状态信息是车体的姿态信息，也就是车体相对于水平面的俯仰和侧倾情况。这两个角度的变化将直观地反映出机器人的稳定状态。为此选用集成两个方向的AT-201-SC双轴倾角仪，分别检测与主车体纵向平行的俯仰角和与主车体侧向平行侧倾角,如图11所示。

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图11表演 AT-201-SC双轴倾角仪

        除此以外，还配置了光电接触开关、罗盘等。针对MOBIT的自主越障来说，对传感器的要求可能会更加复杂。因为在越障过程中，机器人与地形的直接物理接触的感知对机器人越障来说是至关重要的。触觉传感器通过机器人与障碍的物理接触来探知障碍，这是最简单、有效的方式。但采用什么样的触觉传感器也是一个需要深入研究的问题，在此不做进一步探讨。
遥操作控制与实验
        机器人以遥控/半自主的方式工作。遥控方式以其实用、可靠而成为机器人远程控制的基本功能。图12为该机器人具有图形交互特点的远程监控遥操作界面。
        目前已经完成了机器人轮式运动、履带运动等基本运动实验以及爬越台阶、楼梯、复位等越障实验。所有的实验工作表明，该机器人具有多种不同的运动模式和良好的运动特性及越障能力，控制系统满足机器人对半自主导航及遥操作的要求。

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图12  遥操作监控界面

结语
        本文结合系统的功能要求，构建了遥控/半自主操作控制方式的机器人控制系统，提出了基于ARM+DSP为控制模式的CAN总线通讯的嵌入式控制系统，保证了硬件系统具有良好的可扩展性、灵活性、实时性、低功耗的特点，并满足其尺寸小、重量轻、性能高等要求，完成了整个控制系统的设计，并设计完成了包括超声传感器、CCD、倾角仪、罗盘等传感器在内的机器人传感系统。实验工作验证了控制系统的有效性。这种移动机器人平台可用于军事侦察、探测、警戒、巡逻或公安、武警系统解决突发事件，有着广泛的应用前景。

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