基于ARM+DSP的上下料機器人控制平臺設計

陳 艷，顧寄南，樊 帆，關號兵，沈 巍

（江蘇大學 制造業信息化研究中心，鎮江 212013）

0 引言

隨著大量先進的微處理器制造技術的發展，越來越多的嵌入式系統用嵌入式處理器而不用通用的處理器[1]。本文設計了基于ARM與DSP相結合的上下料機器人控制系統平臺，融合了視覺定位技術和無線通信技術，提高了系統的實時性和集成度。

1 嵌入式控制平臺概述

嵌入式系統處理器是整個硬件系統的核心元件，其性能好壞直接決定整個系統的運行效果[2]。機器人控制平臺主處理器為ARM微控器，從處理器為DSP芯片；操作系統采用μClinux系統。

ARM在人機交互、監視控制、支持實時控制等方面具有強大的功能；DSP數字信號處理能力優于其他控制器；μClinux系統具有支持各種協議及多進程調度機制的優點。因此ARM作為處理器平臺，運行μClinux系統，與DSP的實時運算結合起來，構成了高性能、高效率的控制平臺。

2 硬件平臺設計

上下料機器人的控制平臺包括ARM主控系統、DSP視覺系統、運動控制系統、ZigBee無線通信等模塊，總體設計方案如圖1所示。

ARM主控模塊采用三星公司ARM9系列的S3C2440，是高性能低功耗的32位RISC處理器，具有64M的SDRAM，硬件上保證了系統的快速響應速度。ARM處理器模塊通過RS-232串口與運動控制模塊連接，RS-232串口在中斷模式下工作[2]。

DSP視覺處理芯片采用TI公司的TMS320DM642，該芯片是一款性能優越的多媒體處理器，可以很好地完成與主控制器的通信。運動控制的專有電路用復雜可編程邏輯器CPLD來設計。CPLD管理ARM和各種外部設備的接口配置，尤其在控制多軸的情況下，實現并行處理的功能，保證了系統響應速度。

圖1 機器人總體設計方案

嵌入式μClinux的開發采用宿主機和目標機交叉開發的過程。開發時使用宿主機的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執行的二進制代碼，把執行文件下載到目標機上運行，并通過以太網口進行程序的調試。

2.1 μClinux操作系統的配置和移植

μClinux嵌入式操作系統具有一般操作系統的功能，而且提供多任務管理和周圍資源管理，移植內容如下。

1）建立交叉開發環境，修改內核目錄樹根下的Makefile，指明交叉編譯器和目標平臺。

2）對μClinux源碼進行修改，針對硬件修改啟動代碼和配置文件。

添加Norflash驅動文件，在drives/mtd/maps下加入驅動文件；

修改配置項drivers/mtd/maps/Kconfig文件；修改drivers/mtd/maps/Makefile文件。

3）配置編譯內核，得到zImage文件，即生成新的內核映像文件[1]。

2.2 建立設備驅動程序

在μClinux中，所用設備時都有統一的接口。安裝驅動程序后，使用設備就像使用文件一樣。當需要使用相關設備的驅動程序時，驅動程序以模塊的形式加載到內核中，使用完畢即卸載。這種加載方式使驅動程序獨立開來，便于修改和升級。

2.3 應用程序設計

上下料機器人控制系統主要任務是實時與目標機床群通信，對相應的數據和命令進行判斷和解釋，驅動機器人電機做相應的響應，從而實現換料功能。各模塊任務分配。

1）無線通信模塊ZigBee采用基于星型的拓撲結構[4]，即以機器人為中心節點、面向其他數控機床節點的基礎上搭建，傳遞數控機床上下料的命令。

2）ARMS3C2440控制器完成各種任務的調度、命令代碼的解釋以及運動控制的處理，采集到一臺機床的服務指令，即驅動機器人小車至目標機床，若有多臺機床發出指令，按照優先級完成一臺機床任務，把其它指令儲存以待下個周期執行。

3）TMS320DM642視覺處理器的目標是確定物料的位置，把每次攝像頭拍攝的物料圖像進行識別、匹配和后處理[5]，從圖像信息提取出物料的空間位置坐標；經過攝像機標定矩陣，S3C2440將空間位置坐標轉換為驅動電機的脈沖控制，從而使機器人能夠到達目標位置。

3 實驗仿真

上下料機器人控制系統的實驗設備采用研旭嵌入式綜合開發平臺YX-EMBOX,它集成了ARM、DSP、CPLD等控制模塊。DSP模塊通過并行串口與維視視覺平臺通信，利用視覺平臺完成攝像機的標定和工件二維圖像的拍攝。如圖2所示。

假設工件在料箱中平鋪放置，那么工件在垂直方向上的位置偏差可以忽略不計，通過調整料箱的高度來設定末端執行器與料箱的距離，我們只需對單目攝像頭進行一次標定即可。

圖2 控制芯片實物及攝像頭的標定實驗

機器人本體采用雙四桿機構，在小車和關節處共裝有四個伺服電機。電動機的控制采用不斷循環的PI式增量算法，電動機的當前速度值由中斷子程序產生。各個電機在上料過程中不同時段反饋的脈沖數如表1所示。

表1 電機不同時段的脈沖數

4 結束語

基于ARM的上下料機器人控制系統，結合先進的計算機軟硬件技術，具有良好的開發性和可靠性。同時在嵌入式操作系統μClinux的支持下，可以驅動4個電機運作，滿足了實時同步控制和多任務調度要求，具有良好的應用前景。

[1] 周立功. ARM嵌入式系統基礎教程[M]. 北京航空航天大學出版社. 2005

[2] 李衛, 宋弘, 李紅嬋. 基于ARM的嵌入式服務機器人控制器的研究[J]. 電子設計工程, 2009, 17(9): 3-5.

[3] 劉建群, 劉綠山, 羅繼合等. 基于ARM與DSP的切繪機運動控制平臺的設計[J]. 機械設計與制造, 2008, (2): 162-164.

[4] 王東, 張金榮, 魏延等. 利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J]. 重慶大學學報(自然科學版), 2006, 29(8): 95-97.

[5] 楊忠耀, 段鎖林. 雙目視覺機器人物體搬運伺服控制系統研究[J]. 太原科技大學學報, 2008, 29(4): 295-301.