基于分布式的移动机器人控制系统设计与实现

周邵云，丁 昊，国 正（合肥工业大学宣城校区机械工程系，安徽宣城，242000）



基于分布式的移动机器人控制系统设计与实现

周邵云，丁 昊，国 正
（合肥工业大学宣城校区机械工程系，安徽宣城，242000）

摘要：移动机器人是近年来研究的热点，针对机器人系统自由度多，可靠性和实时性要求高的特点，提出了一种基于分布式的移动机器人控制系统。利用多借点连接方式的网络拓扑机构，将其他设备和多个机器人连接组成机器人控制系统，以控制芯片ARM Cortex-A9和STM32F407为基础，将开源操作系统植入到开源嵌入式系统中，设计分布式上位机控制软件和下拉机程序，设计了基于分布式的移动机器人控制系统的搭建，实现对分布式移动机器人的控制。该分布式移动机器人软硬件开源、性能高、成本低、具有很好的可扩展性、实时性和稳定性。

关键词：分布式；移动机器人；控制系统；设计与实现

1　移动机器人控制系统硬件设计

本文采用两级主从分布控制设计移动机器人，通过模块化思想实现系统的多模块划分，每个模块具有独立的MCU和自治能力，具有较强的主控能力，从而实现移动机器人的分布式控制系统。采用基于分布式的移动机器人控制系统，具有易维护性、灵活性和可扩展性的优点。根据优点机器人的层次体系结构和功能设计要求，采用两级主从分布式控制方式，将整个系统进行细分，可分为主控系统、运动控制系统和信息采集系统三个子系统。

1.1主控系统

主控系统用来实现规划、决策和人机交互功能，通过 CAN总线通信接口来协调和控制各个子模块系统。选用ARM Cortex-A9开发板为主控系统核心板，可以构建嵌入式Linux系统，扩展其他功能模块，减少开发成本和周期。ARM Cortex-A9开发板具有JTAG、USB Host接口和串口等，方便与PC进行通信，实现交叉开发调试，提供的LCD接口，可以驱动7寸的触摸板液晶屏，实现人机互动。采用带矩阵键盘矩阵的键盘管理芯片CH451，提供终端输出和低功耗睡眠，支持8x8矩阵键盘扫描，节约I/O口资源，MCU只需要控制两根信号线。

1.2运动控制系统

运动控制系统用来驱动车体和执行运动任务实现直行、退后、原地转和差速转向。又低下头采用STM32F407开发板，该开发板具有128KB的闪存、8K RAM、USB接口、12位ADC、定时器等，叫其他传统的微处理器来说，效率和功率都得到了较大的提升。STM32F407开发板提供了较多的I/O口和OLED连接显示信息，和多个I/O口中断口和各类采集环境信息，提供了SPI接口与CAN中线模块进行首发数据，提供了多个定时器，可以产生PWM对电机进行驱动。

1.3信息采集系统

信息采集系统用来感知环境信息，为主控系统提供当前周围的环境信息。信息采集系统统一采用STM32F407作为系统核心，其中包括超声波、红外线和加速器等传感器，是系统闭环控制的重要组成部分。通过CAN总线通讯方式，可以接收系统自主控制命令和数据，同时对采集的信息进行分析处理。

2　移动机器人控制系统软件设计

移动机器人控制系统软件是该系统平台的核心，其直接关系到移动机器人运动的实时性、稳定性和鲁棒性。控制系统软件设计基于嵌入式Linux平台，机器人主机通过TCP/IP协议实现上位机与下位机之间的通信，PC机与机器人主机通过局域网实现连接，通过运行节点进行点对点之间的通信，实现远程控制。下位机通过对协议栈的移植，接收并分析上位机的数据报，从而实现对电机的控制。

2.1系统上位机软件设计

移动机器人通过上位机来计算移动机器人的位姿、里程和各个电机的转速等信息，装有嵌入式Linux系统的PC机用于人机之间的交互，机器人主机使用基于Linux内核的嵌入式操作系统Ubuntu14.10，将base移植到嵌入式系统中去，完成对移动机器人的运动控制，移动机器人所有的节点都分布于PC机和机器人主机上，机器人主机与PC机之间采用点对点的通讯模式。

机器人主机上的节点主要用于对数据的采集和对计算机运动的控制，controller用于PC机节点发布运动命令，控制运动机器人的运动，转换/odom坐标和/base_link坐标间的关系转换，同时发布移动机器人的里程信息。Feedback_data用于手机下位机所发布的错误信息和速度信息并处理这些信息，然后将处理后的信息发布到/joint_states主题上。Robot_ state_publisher用于接收base_controller与joint_states_ publisher发布的信息计算出机器人的坐标信息与状态并发布。Joint_state_publisher用于发布关节状态信息。Telop用于人机互动，rviz用于监控移动机器人控制系统上所有节点的状态和轨迹。机器人主机是上位机的主体部分，是控制系统的核心，用于完成大部分的控制功能。

2.2系统下位机软件设计

下位机的主要作用是接收并解析上位机发布的指令，从而得到各个车轮的运动指令，并生成对驱动器的控制信号，及时的接收并反馈错误信息和速度信息。下位机软件在STM32F407的基础上进行开发设计的，主要基于上位机的驱动器信号和控制信号，下位机软件在将实施嵌入式操作系统内核移植到STM32F407开发板的基础上，应采取以下操作来保证系统的实时性：

（1）STM32F407通过定时器来获取输入，从而得到驱动器反馈的脉冲信号并计数；

（2）STM32F407采用中断的工作模式，接收并解析上位机指令，产生相应的反馈速度信息和控制信号；

（3）当接收到反馈请求时，网卡将脉冲计数值发送给上位机，入股产生错误信号，就关闭STM32F407控制信号输出，并将错误代码写入网卡并发送缓存。

3　结束语

本文提出了一种基于分布式的移动机器人控制系统设计与实现方案，详细阐述了其软硬件的设计细节及实现。通过对测得的数据分析，设计并经过优化的移动机器人控制系统中，网络延时对整个移动机器人控制系统的控制过程中影响很小，有效的解决了网络控制系统中时滞对控制系统性能的影响。该移动机器人基于开源机器人系统而设计，并将嵌入式系统融入其中，具有性能高、成本低、可扩展等特点，为移动机器人的后续设计与实现打下了坚实的基础。

参考文献

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[5] 朱咏杰、付宜利、王树国、常疆.一种改进的移动机器人运动控制算法[J].哈尔滨：哈尔滨工程大学学报.2004

Control System Design and realization based distributed mobile robot

Zhou Shaoyun，Ding Hao，Guo Zheng
（Hefei University of Technology Xuancheng Campus，Xuancheng Anhui，242000）

Abstract：The mobile robot is the focus in recent years，and more freedom for the robot system，and realtime requirements of high reliability characteristics，is proposed based on distributed mobile robot control system.Multi-point connection by way of the network topology agencies， and other devices connected to form a plurality of robots robot control system for controlling the ARM Cortex-A9 chip and STM32F407 based on the open source operating system implanted in the open source embedded system design distributed PC control software and drop-down program， designed based distributed control system for mobile robot set up to realize the distributed mobile robot control.The open-source distributed mobile robot hardware and software， high performance， low cost，with good scalability，real-time and stability.

Keywords：distributed; mobile robots;control systems;Design and Implementation