基于嵌入式实时操作系统的寻线机器人设计与实现

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1、http://www.paper.edu.cn1基于嵌入式实时操作系统的寻线机器人设计与实现付兵，迟瑞娟，刘吉孟中国农业大学工学院，北京（100083）E-mail:fubing2000@gmail.com摘要：针对寻线机器人发展的要求，提出了一种基于嵌入式实时操作系统uC/OS-Ⅱ和有限状态机相结合的寻线机器人系统设计方案。本方案以Renesas公司的H8/3048F-ONE型单片机为硬件核心，使用uC/OS-Ⅱ内核进行任务的管理与调度，并采用有限状态机的系统分析和程序设计方法设计了逻辑控制任务。行驶首圈采用光电传感器导航，同时生成路径地图；次圈及其以后采用基于地

2、图和光电传感器的信息融合导航方法。实验结果表明，系统生成地图与实际路径地图吻合性好，次圈及其以后速度高于首圈速度。系统在实时性、稳定性、可移植性和可扩展性等方面,更能满足寻线机器人发展的需要。关键词：嵌入式实时操作系统；有限状态机；寻线机器人；里程计定位和地图创建中图分类号：文献标识码：1.引言（Introduction）寻线机器人是一种能够在引导线的辅助下智能行走的移动机器人，已广泛地应用于焊接[1]和电力[2]等工业领域，国内外很多高校和科研机构都开展了相关方面的研究，并且举办了相关主题的各种竞赛[3]，这有力地促进了寻线机器人的发展。但随着各种复杂算法[4-6

3、]在寻线机器人上的应用和寻线机器人功能的不断增强，其控制系统的软件结构也越来越复杂。由于传统巡线机器人控制系统采用裸机编程的方式，只有一部分功能函数运行完之后，其他功能函数才能运行，不利于寻线机器人的实时性控制。本文提出了基于嵌入式实时操作系统µC/OS-II和有限状态机的编程的方式，并采用基于地图的辅助定位方法，旨在使寻线机器人的控制系统实时性更强，导航更可靠。2.系统硬件平台(Hardwaresystem)该系统由电源管理模块、CPU主控模块、电机驱动模块、路径检测模块、速度检测模块和无线串口通讯模块六部分组成。其中电源管理模块为其他模块供电，路径检测模块采用光

4、电检测方式，共8对s7126红外接收集成芯片和红外发射二极管来检测路径信息。速度检测模块采用增量式光电编码器检测方式，编码器将轮轴的转动转化为脉冲信号，提供给CPU主控模块。无线串口通讯模块用于将寻线机器人有关信息传送给计算机，进行系统调试和分析。CPU主控模块根据输入的传感器检测信号（路径检测信息和速度信息等），通过相应的逻辑控制算法计算输出信号（PWM信号），控制驱动电机和伺服电机，从而驱动寻线机器人前行。1本课题得到北京市科委项目（GYYWK0608003B）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn电机驱动CPU主控模块模块(H8/3048

5、F-无线串ONF)口模块IO/驱动PWP9电机M路径检IO/(IO/P7测模块伺服PB)电机IO/速度检PA0测模块电源管理模块图1系统硬件组成图Fig.1Structuraldiagramofsystem该系统的硬件框图如图1所示。其中，CPU选用Renesas公司的3048F-ONE型十六位单片机，该类型单片机采用H8/300H型CPU内核，具有七个外部中断、16位集成定时单元、两个异步串行通信口SCI、10位8通道A/D转换器、8位2通道D/A转换器和最多70个输入/输出引脚；片内拥有4kB的RAM、128kB的Flash。这些丰富的片上资源，完全能够满足系统

6、设计的需要。将H8/3048F-ONE的P7口定义为输入口，用于输入路径传感器信息；将PA0定义为输入捕获，起计数器作用，用于输入速度脉冲信息；P9口与无线串口相连；PB口产生PWM信号，控制电机运转。3.软件设计(SoftwareDesign)系统设计主要考虑和解决以下几个问题：(1)系统鲁棒性保证。由于本系统含有传感器装置，即需要外部输入信号，程序执行时间易受外部干扰而不能确定。为了增强系统的鲁棒性，必须将程序的执行时间确定下来，当传感器暂时不能发挥作用时能根据历史记忆情况辅助定位导航，保证寻线行驶。(2)实时性的保证。为了提高工作效率，必须增大寻线机器人的行驶

7、速度。而在电机功率足够的情况下，制约其速度的主要因素为弯道的速度。所以直道和弯道采取不同速度行驶能有效提高整体速度，这样当寻线机器人由直道进入弯道前必须立刻减速，否则就可能冲出可寻线区，导致寻线失败。(3)具有较好的可扩展性和可移植性。基于上述要求，本系统采用µC/OS-Ⅱ作为系统软件平台。它是一个源代码开放、可移植、可固化、可裁减的基于静态优先级的占先式多任务实时内核，任务执行时间具有可确定性，能很好地解决上述问题。3.1多任务的划分和优先级分配本系统使用的µC/OS-Ⅱ版本为2.52，它可以管理多达64个任务，任务的优先级越高，反映优先级的值则越低。按照系统