侯益坤;侯聪玲;刘益标
【摘 要】为了实现智能小车的多功能控制,采用功能强大的嵌入式ARM对小车进行模块化设计,并使用在ARM芯片上移植WindowsCE操作系统.该小车具有的主要功能模块有:操作杆控制,遥控器遥控控制,超声波智能避障,运行轨迹自主优化和运动速度平稳控制等.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2010(039)001
【总页数】3页(P21-23)
【关键词】嵌入式系统;运动控制;PWM
【作 者】侯益坤;侯聪玲;刘益标
【作者单位】盘鮈鱼广东工贸职业技术学院电气自动化系,广东,广州,510510;广东工贸职业技术学院电气自动化系,广东,广州,510510;广东工贸职业技术学院电气自动化系,广东,广州,510510
【正文语种】中 文
【中图分类】TP273
1 引言
随着现代化工业的发展，自动化控制出现了许多新的要求。 “PC＋运动控制器”是目前开放式数控系统中最常见的形式。主PC用于人机界面、存贮和通讯，DSP或ASIC作从属CPU来实现实时控制、I／O中断和计算等。而嵌入式技术依靠其体积小、成本低、功能强、可裁剪等特点，适应了工业自动化发展的最新要求 ［1－5］。单片机作为控制系统的微处理器，在数据处理和代码存储等方面都已经无法满足系统的需求，ARM微处理器资源丰富，具有良好的通用性，其主要优点是高性能、低价格、低功耗。ARM本身是32位微处理器，但却集成了16位的Thumb指令集，这使得ARM可以代替16位的处理器如51系列单片机使用，同时具有32位处理器的速度。基于ARM的嵌入式系统其性能优良，移植性好，已广泛应用在各个行业，因此将ARM微处理器应用于智能小车的控制系统是一种较好的选择。
基于此，作者研究了一种基于ARM控制的智能小车，提高了对直流电机的控制效率，在ARM上移植了WindowsCE操作系统，设计出了友好的人机界面，使开发过程变得容易。并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。自动打饭机
2 多功能智能小车结构设计
智能小车底盘采用三轮结构，前轮为万向轮，起支撑作用，不起导向作用。两个后轮采用独立的直流点击驱动，采用差动方式转向，通过控制左右电机转速和转向来实现小车的速度控制及实现小车的前进、后退、停止、左前转和右前转等功能。小车车体主要为两个直流电机驱动装置，分左轮驱动和右轮驱动。前轮为万向随动轮，在车体的下面有一个可以安装6节电池共7.2V的电池盒，小车的电源就是由它来提供的。在小车的底部有一个拨动开关，它负责控制整个小车的电源开通与关断。小车的前面安装有超声波传感器发射装置。小车的SolidWorks如图1所示。
图1 SolidWorks中的智能小车的结构示意图
3 智能小车控制系统设计
多功能智能小车控制系统示意图如图2所示。
智能小车控制系统包括以下模块。
（1）主控模块
本控制系统的微控制器采用三星公司的S3C2440。它负责语音命令信号、语音回放编码信号、摇杆控制信号、遥控控制信号、超声波遇障信号的采集和直流电机PWM调速控制信号、超声波启动信号的发送，从而实现对各功能模块的全局协调控制。 图2 多功能智能小车控制系统示意图
（2）语音识别与回放模块
语音识别分为训练阶段和识别阶段：训练阶段的任务是建立识别基本单元的声学模型；识别阶段的任务是采用语音分析方法分析出语音特征参数，按照一定的准则和测度与系统模型进行比较，通过判断得出识别结果。本系统中的语音识别模块主要对有限的五个语音命令 （前进、停止、后退、左转、右转命令）进行识别判断后，把命令信号进行编码并通过
土钻I／O口发送给主控芯片，主控芯片对命令信号进行处理，调用相应的子程序做出相应的动作回应。语音回放芯片内部集成语音信号放大、滤波、采样、A／D转换等模块。
（3）超声波避障模块
本系统采用渡越时间法测距 ［6］， 即 D＝Ct／2， 其中 D为移动机器人与被测物之间的距离；t为超声波从发射到返回的时间间隔，即渡越时间；C为声波在介质中的传输速率，一般认为超声波在空气中传播速率C为340m／s。由于单个超声波传感器具有探测波束角大、方向性差、只能获得目标的距离信息而不能准确地提供目标的边界信息、稳定性不理想等缺点，本系统采用了两个传感器，并利用ANN的方式对两个传感器的数据进行融合来提高探测精度，当测得障碍物的距离小于设定安全值时，中断调用停止子程序，使小车平稳减速停止，并启动语音回放模块进行语音提示，从而保证了小车行驶安全。
（4）操纵杆控制模块
操纵手柄主要由多轴控制器、手制动开关、档位按钮、手柄及导线组成。它将小车的行驶动作，如前进、后退、左转、右转和停止转换为相应的电信号并通过ARM的I／O口输入，
ARM接收到控制命令后，调用相应的函数，产生PWM控制信号，从而实现小车的电机驱动控制。
（5）直流电机驱动模块
采用ARM芯片的脉宽调制器PWM来驱动直流电机，通过改变PWM信号的占空比来进行直流电机的速度调节，通过H桥电路来实现电机正反转的控制，直流电机功率驱动的具体电路如图3所示。直流电机驱动电路中的场效应管的驱动采用了光电隔离，这样就将直流电机的工作电源与ARM嵌入式系统的工作电源隔离开来，提高了ARM控制系统的可靠性和稳定性。
（6）电机转速检测模块
光化学衍生器
电机轴转速检测反馈电路系统中利用增量式光电编码器检测直流电机的实际转速，光电编码器信号一般有VCC、GND、A、B和Z，这里只连接电源和A信号，作为直流电机轴的位置和速度信号反馈。编码器反馈的脉冲信号经过光电耦合器对编码器内部的OC输出信号加上拉电阻 （图4中R1），经过光电耦合器后信号经过RC滤波后送给ARM的外部中断INT0，在INT0的中断服务程序中对直流电机的转速进行检测，实现速度反馈。
遥控干扰器图3 直流电机驱动模块
4 智能小车控制系统软件设计
通过程序设计实现对智能小车的平稳运行控制。计算出合理的PWM值使小车在启动与停止时平稳加减速。转弯时采用电子差速控制，电子差速 （Electrical Differential，简称ED）是一种以纯软件方式使各动力轮的行驶速度满足一定约束关系的差速方法，完全采用电控方式控制各车轮的转速，使其以不同速度转动，在转向的同时保证车轮不发生拖动或者滑移，而是作纯滚动。图5所示为智能小车控制系统的软件流程图。
图4 电机转速检测反馈电路
图5 控制系统软件流程图
5 智能小车运行检测
智能小车的控制方式有三种：操纵杆控制、遥控器控制和语音控制。通过操纵杆和遥控器可以发送前进、后退、左转、右转和停止五种命令来控制小车的运动。超声波自动检测障
碍信号，遇到障碍小车停止。液晶屏上可以实时显示小车的运行速度以及一些其它的状态参数，如图6所示。经过现场测试，智能小车运行平稳，界面友好，实时性好。
>提前放电避雷针
