專利名稱：嵌入式移動機器人核心控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能機器人技術領域，特別涉及一種多接口的移動機器人核心控制器。
背景技術：
作為一臺移動機器人，能夠自主運動，接受操作者的命令，根據(jù)命令改變自身的工作狀態(tài)，實時地顯示自身的工作狀態(tài)都是最基本的功能。移動機器人能夠實現(xiàn)自主運動，以任意的半徑轉向，很好地完成規(guī)定的工作，都是在核心控制器的控制下實現(xiàn)的。所以，核心控制器是移動機器人的大腦，機器人具有的功能多少，性能優(yōu)劣與核心控制器的功能與性能密切相關。
一般情況下，移動機器人的核心控制器都是由微處理器實現(xiàn)的。早期的移動機器人由一臺PC機(或筆記本電腦)實現(xiàn)控制功能，也有一些功能非常簡單的移動機器人，其控制器就是由一片8位的單片微處理器、附加外圍電路實現(xiàn)的。隨著集成電路技術的發(fā)展，單片微處理器的性能不斷提高，功能不斷增強?，F(xiàn)在已出現(xiàn)了16位，32位的單片微處理器，其功能完全可以替代早期的PC機。如現(xiàn)在流行的ARM9系列的嵌入式微處理器，無論在硬件資源，軟件資源和運算速度等方面，不亞于一臺過去的486PC機系統(tǒng)。構建以ARM9嵌入式微處理器為核心的移動機器人核心控制器不僅完全可行，而且在控制器結構，成本等方面具有明顯的優(yōu)勢。為此，許多研究人員在這方面做了許多工作，也出現(xiàn)了一些專利專利03125368.7(嵌入式多軸運動控制器)公開了一種嵌入式多軸運動控制器，利用擴展的隨機存儲器(RAM)、和擴展的只讀存儲器(ROM)、與可進行浮點運算的數(shù)字信號處理器(DSP)相連，共同完成數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理，TCP/IP接口用于DSP控制器與上位機之間的連接，進行數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議處理，另外該控制器還具有其它一些功能。該控制器是一種單純的運動控制器，在工作狀態(tài)下要通過專用的接口接受上一層控制單元下達的命令，不具有直接與人交互的接口(人機界面)，不能獨立工作。
專利00806851.8(運動控制器的編程方法)公開了運動控制器的編程方法，說明是用編程裝置分別獨立地記述控制工業(yè)機械的運動控制器的運動程序和時序程序，把每個程序裝載到上述運動控制器。該專利的主要內(nèi)容是講述了一種對多種運動控制器的編程方法，并沒有涉及到控制器本身的功能和硬件實現(xiàn)，也不是一個完整的運動控制器。
專利01131583.0(開閉環(huán)通用運動控制器)公開了一種開閉環(huán)通用運動控制器，是由微處理器，通過總線接口與有關單元電路連接形成的反饋環(huán)路。微處理器是一片TMS320的數(shù)字信號處理器芯片(DSP)，該開閉環(huán)通用運動控制器同樣也是一種單純的運動控制器，在工作狀態(tài)下要通過專用的接口接受上一層控制單元下達的命令，不具有直接與人交互的接口(人機界面)，不能獨立工作。
以上前三個專利所具有的共同特點是1)利用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器的核心單元，沒有采用比較先進的嵌入式ARM體系結構的微處理器；2)都是一個單純的運動控制單元，不具備與人，或者環(huán)境進行交互的接口；3)不能獨立進行工作，運動控制器在工作時要聽從上一級控制單元的命令。其中第二個專利只針對某運動控制器給出了編程方法，并沒有涉及到控制器的硬件實現(xiàn)技術。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種集運動控制、人機交互界面、無線命令傳輸、無線數(shù)據(jù)采集等功能于一體的移動機器人通用控制器，即嵌入式移動機器人核心控制器。
本發(fā)明提供的嵌入式移動機器人核心控制器，包括作為核心計算與控制的中央處理單元，以及分別與之相連接的系統(tǒng)總線接口單元、串行通訊接口單元、計數(shù)器邏輯單元和通用輸入輸出單元；中央處理單元通過系統(tǒng)總線接口單元和數(shù)據(jù)線分別雙向連接程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和系統(tǒng)總線緩沖單元，系統(tǒng)總線緩沖單元通過數(shù)據(jù)線分別連接顯示控制器和輸入控制器；中央處理單元通過串行通訊接口單元和數(shù)據(jù)線雙向連接智能數(shù)據(jù)采集單元；中央處理單元同時分別通過計數(shù)器邏輯單元、通用輸入輸出單元和數(shù)據(jù)線雙向連接四路伺服電機控制單元。
中央處理單元通過控制線和信號線雙向連接CPU附屬電路單元。
同時通過通用輸入輸出單元和數(shù)據(jù)線連接無線信號接收單元。
本發(fā)明的優(yōu)點及效果本發(fā)明提供的嵌入式移動機器人核心控制器實現(xiàn)了4路伺服電機的獨立控制，進而實現(xiàn)了移動機器人的運動控制；充分利用具有ARM9體系結構的微處理器的內(nèi)部資源，使控制器整體的硬件電路非常簡潔，采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使控制器的軟件設計工作量大大減少；成熟的嵌入式Linux操作系統(tǒng)提高了控制器的工作穩(wěn)定性，可靠性；簡單的外圍電路實現(xiàn)了控制器的人機交互接口，為操作者提供了友好的操作界面。

圖1是本發(fā)明核心控制器原理框圖；圖2是核心控制器工作流程圖。
具體實施方式實施例1如圖1所示，本發(fā)明提供的嵌入式移動機器人核心控制器包括中央處理單元1、系統(tǒng)總線接口單元2，串行通訊單元3、計數(shù)器邏輯單元4，通用輸入輸出單元5，程序存儲器6，數(shù)據(jù)存儲器7，智能數(shù)據(jù)采集單元8，系統(tǒng)總線緩沖單元9，CPU附屬電路單元10，液晶顯示控制器11，鍵盤、觸摸屏輸入控制器12，無線信號接收單元13，四路伺服電機控制單元14，和電源檢測接口單元15。
該核心控制器的設計特點是1)以具有高速運算能力、和豐富的軟、硬件資源的嵌入式ARM9體系結構的微處理器(CPU)作為核心計算與控制單元，相應的設計出動態(tài)隨機存儲器(DRAM)和閃速存儲器(FLASH)的接口電路，實現(xiàn)了CPU的程序存儲與數(shù)據(jù)存儲；2)針對移動機器人的要求，設計了液晶顯示輸出，多種輸入(鍵盤輸入，觸摸屏輸入)，和無線命令接收等人機交互接口電路；可以實時的接收操作者的命令，控制移動機器人做相應的動作，實時的顯示機器人的工作狀態(tài)；3)設計了多種的串行通訊通道(異步串行通訊接口RS232、三線同步串行通訊接口SPI、和兩線同步串行通訊接口I2C)，便于與各種通用的外部設備連接，實現(xiàn)功能擴展；4)設計了對機器人控制系統(tǒng)的電源檢測接口單元，發(fā)現(xiàn)電源出現(xiàn)故障或電壓降低時，能夠及時向CPU報警，停止機器人的工作；5)利用微處理器的內(nèi)部技術及資源，通過軟件方式，實現(xiàn)了對四路運動驅動電機的脈沖指令輸出功能，輸出的脈沖頻率與電機的速度(機器人的運動速度)成正比，脈沖的個數(shù)與電機的運動角度(機器人的運動距離)成正比，四路脈沖指令可以獨立進行調(diào)節(jié)改變。
本控制器預先編制好的程序存放在閃速存儲器(6)中。當控制器被上電，開始工作時，CPU單元從閃速存儲器中讀取出程序，將程序轉移到數(shù)據(jù)存儲器7中，以提高微處理器執(zhí)行指令的速度(CPU讀取RAM的速度遠快于讀取Flash的速度)，然后開始逐條執(zhí)行RAM中的程序。程序的工作過程如下首先CPU對各個單元進行初始化設置，其中包括3個異步串行通訊單元，2個同步串行通訊單元的初始化設置，通訊頻率設置；控制四路伺服電機的計數(shù)器邏輯單元的初始化設置；無線命令接受單元的初始化設置；液晶控制電路的初始化設置，鍵盤、觸摸屏輸入接口電路的初始化設置。初始化工作完成后，CPU向液晶控制器輸出開機的工作畫面，同時對鍵盤、觸摸屏輸入單元進行掃描輸入；當有鍵盤輸入信號時，判斷輸入的鍵盤指令是否要改變當時移動機器人的工作模式，以及一些基本參數(shù)(系統(tǒng)設置)，如果是，工作進入修改系統(tǒng)設置過程，操作者可通過鍵盤、觸摸屏改變系統(tǒng)的一些設置(如操作機器人的密碼，與家人通訊的電話號碼等信息)，同時通過液晶屏可以監(jiān)視操作的過程。如不需要改變系統(tǒng)的設置，則判斷機器人是否需要進入工作待命狀態(tài)。操作者可通過鍵盤、觸摸屏選擇機器人是否進入工作待命狀態(tài)，并通過液晶屏觀看選擇的結果。
進入待命狀態(tài)后，CPU有兩項工作要做。首先通過異步串行通訊單元3與智能數(shù)據(jù)采集單元通訊，接收檢測到的機器人工作的環(huán)境參數(shù)(環(huán)境溫度，環(huán)境濕度，煙霧探測，有無可疑入侵者等)，CPU對采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，通過液晶顯示控制器，將環(huán)境參數(shù)顯示在液晶上。如發(fā)現(xiàn)有危險信號(如溫度過高，濕度過大，有煙霧信號，有可疑入侵者等)，CPU啟動報警功能，通過異步串行通訊接口向外部報警。
然后檢測無線命令接口，是否有運動命令。如有運動命令，則根據(jù)命令的內(nèi)容，向計數(shù)邏輯單元4設置控制命令，計數(shù)邏輯單元4向對應的伺服電機控制單元8輸出相應的控制脈沖命令，控制移動機器人做相應的運動(前進、后退、向左傳、向右轉)。如有退出命令，則CPU退出待命工作狀態(tài)，返回到初始化完成的狀態(tài)。
CPU附屬電路10，是支撐CPU工作的一些固定電路。
權利要求
1.一種嵌入式移動機器人核心控制器，其特征在于該核心控制器包括作為核心計算與控制的中央處理單元，以及分別與之相連接的系統(tǒng)總線接口單元、串行通訊接口單元、計數(shù)器邏輯單元和通用輸入輸出單元；中央處理單元通過系統(tǒng)總線接口單元和數(shù)據(jù)線分別雙向連接程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和系統(tǒng)總線緩沖單元，系統(tǒng)總線緩沖單元通過數(shù)據(jù)線分別連接顯示控制器和輸入控制器；中央處理單元通過串行通訊接口單元和數(shù)據(jù)線雙向連接智能數(shù)據(jù)采集單元；中央處理單元同時分別通過計數(shù)器邏輯單元、通用輸入輸出單元和數(shù)據(jù)線雙向連接四路伺服電機控制單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的嵌入式移動機器人核心控制器，其特征在于中央處理單元通過控制線和信號線雙向連接CPU附屬電路單元。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的嵌入式移動機器人核心控制器，其特征在于中央處理單元同時通過通用輸入輸出單元和數(shù)據(jù)線連接無線信號接收單元。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的嵌入式移動機器人核心控制器，其特征在于，與系統(tǒng)總線緩沖單元連接的輸入控制器是鍵盤輸入控制器、觸摸屏輸入控制器中的一種或兩種。
全文摘要
嵌入式移動機器人核心控制器。包括中央處理單元，和分別與之連接的系統(tǒng)總線接口單元、串行通訊接口單元、計數(shù)器邏輯單元和通用輸入輸出單元；以及程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、系統(tǒng)總線緩沖單元、顯示控制器、輸入控制器；智能數(shù)據(jù)采集單元；四路伺服電機控制單元；和無線信號接收單元。本發(fā)明實現(xiàn)了4路伺服電機的獨立控制，進而實現(xiàn)了移動機器人的運動控制；充分利用具有ARM9體系結構的微處理器的內(nèi)部資源，使控制器整體的硬件電路非常簡潔，采用了嵌入式操作系統(tǒng)，使控制器的軟件設計工作量大大減少；成熟的嵌入式Linux操作系統(tǒng)提高了控制器的工作穩(wěn)定性，可靠性；簡單的外圍電路實現(xiàn)了控制器的人機交互接口，為操作者提供了友好的操作界面。
文檔編號G05B19/02GK1970247SQ20061012980
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月1日 優(yōu)先權日2006年12月1日
發(fā)明者張建勛, 牛和明, 邢關生, 李彬 申請人:南開大學