基于OPenWrt的移動機器人系統設計

摘要：嵌入式移動機器人實現了全方位自主移動及避障、行走中的圖像采集和無線數據傳輸。采用ARM處理器S3C2440作為主板控制器，選擇OpenWrt作為操作系統。系統采用2層架構，上層以S3C2440為核心，負責圖像采集，并將圖像通過Wi-Fi方式發送給PC機；下層以51單片機為核心，負責運動控制、傳感器數據處理等操作。
關鍵詞：OpenWrt；移動機器人；Wi-Fi；圖像采集

引言
近年來隨著人工智能技術、計算機技術等相關技術的發展，對移動機器人的研究越來越廣泛。本設計是采用OpenWrt操作系統的移動機器人，它可實現多種不同功能，如探測險情、巡視、圖像采集、定位、無線通信等。它還可以作為各種智能控制方法(包括動態避障、路徑規劃、群體協作策略)的良好載體，開展研究。

1 系統方案
采用2層架構。上層以ARM處理器S3C2440為核心，選用MINI2440開發板作為上層的主板，負責圖像采集，并將圖像通過Wi-Fi方式發送給遠端的PC機。Wi-Fi無線通信是利用PC機與無線路由器搭建環境平臺共同實現的。
下層是以51單片機為核心的單片機控制板，由51單片機及外圍電路組成。下層主要負責機器人移動控制，傳感器數據處理。51單片機通過I／O口輸出PWM信號控制直流電機的轉速和轉向，實現機器人的前進、停止、左轉和右轉。單片機接口電路上掛接了1個超聲波測距模塊、1個人體紅外感應模塊、1個步進電機模塊。超聲波測距模塊用來實現機器人避障。在嵌入式智能的前端安裝了一個步進電機，而超聲波測距模塊安置在步進電機的轉軸上，步進電機不停地來回轉動，超聲波測距模塊也隨之轉動。這樣用1個超聲波測距模塊就可實現多方位測距，從而減少了超聲波測距模塊的數量。
機器人主要由硬件系統和軟件系統構成。硬件系統主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等。其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。軟件包括：嵌入式Linux操作系統、外設驅動程序、Linux應用程序以及單片機應用程序等。系統沒有選用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊徑，選用一種獨特的嵌入式Linux發行版之一OpenWrt作為操作系統。OpenWrt提供了一個完全可寫的文件系統及軟件包管理，它通過簡單易用的方式，降低了嵌入式Linux開發的門檻，提高了系統軟件開發的效率。
嵌入式智能移動機器人的工作流程為：傳感器模塊實時采集周圍環境信息，將此數據信息傳輸到機器人控制系統中，單片機通過數據分析獲取有效數據，從而獲知機器人與障礙物的相對位置，然后根據此位置信息產生控制信號；單片機產生PWM信號控制直流電機來控制機器人轉向，從而達到機器人自主“行走”的目的。下層的單片機與上層的ARM處理器通過串口來通信，ARM主板可將下層單片機控制板的工作數據通過無線Wi-Fi的方式傳輸到遠端的PC機。ARM主板可以不間斷地將USB攝像頭采集的清晰現場圖片發給遠端的PC控制終端。

2 系統硬件設計
硬件系統主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。硬件結構框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，系統主要由以下模塊構成：圖像采集模塊、無線通信模塊、超聲波測距模塊、紅外感應模塊、MINI2440、單片機STC89 C52以及直流電機驅動模塊等。下面重點介紹直流電機驅動模塊。