基于OPenWrt的移动机器人系统设计

摘要：嵌入式移动机器人实现了全方位自主移动及避障、行走中的图像采集和无线数据传输。采用ARM处理器S3C2440作为主板控制器，选择OpenWrt作为操作系统。系统采用2层架构，上层以S3C2440为核心，负责图像采集，并将图像通过Wi-Fi方式发送给PC机；下层以51单片机为核心，负责运动控制、传感器数据处理等操作。
关键词：OpenWrt；移动机器人；Wi-Fi；图像采集

引言
近年来随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展，对移动机器人的研究越来越广泛。本设计是采用OpenWrt操作系统的移动机器人，它可实现多种不同功能，如探测险情、巡视、图像采集、定位、无线通信等。它还可以作为各种智能控制方法(包括动态避障、路径规划、群体协作策略)的良好载体，开展研究。

1 系统方案
采用2层架构。上层以ARM处理器S3C2440为核心，选用MINI2440开发板作为上层的主板，负责图像采集，并将图像通过Wi-Fi方式发送给远端的PC机。Wi-Fi无线通信是利用PC机与无线路由器搭建环境平台共同实现的。
下层是以51单片机为核心的单片机控制板，由51单片机及外围电路组成。下层主要负责机器人移动控制，传感器数据处理。51单片机通过I／O口输出PWM信号控制直流电机的转速和转向，实现机器人的前进、停止、左转和右转。单片机接口电路上挂接了1个超声波测距模块、1个人体红外感应模块、1个步进电机模块。超声波测距模块用来实现机器人避障。在嵌入式智能的前端安装了一个步进电机，而超声波测距模块安置在步进电机的转轴上，步进电机不停地来回转动，超声波测距模块也随之转动。这样用1个超声波测距模块就可实现多方位测距，从而减少了超声波测距模块的数量。
机器人主要由硬件系统和软件系统构成。硬件系统主要包括：ARM处理器、单片机、外围接口电路、机器人底盘以及电源等。其中ARM处理器是上层的核心，51单片机是下层的核心。软件包括：嵌入式Linux操作系统、外设驱动程序、Linux应用程序以及单片机应用程序等。系统没有选用通常的嵌入式Linux版本，而是另辟蹊径，选用一种独特的嵌入式Linux发行版之一OpenWrt作为操作系统。OpenWrt提供了一个完全可写的文件系统及软件包管理，它通过简单易用的方式，降低了嵌入式Linux开发的门槛，提高了系统软件开发的效率。
嵌入式智能移动机器人的工作流程为：传感器模块实时采集周围环境信息，将此数据信息传输到机器人控制系统中，单片机通过数据分析获取有效数据，从而获知机器人与障碍物的相对位置，然后根据此位置信息产生控制信号；单片机产生PWM信号控制直流电机来控制机器人转向，从而达到机器人自主“行走”的目的。下层的单片机与上层的ARM处理器通过串口来通信，ARM主板可将下层单片机控制板的工作数据通过无线Wi-Fi的方式传输到远端的PC机。ARM主板可以不间断地将USB摄像头采集的清晰现场图片发给远端的PC控制终端。

2 系统硬件设计
硬件系统主要包括：ARM处理器、单片机、外围接口电路、机器人底盘以及电源等，其中ARM处理器是上层的核心，51单片机是下层的核心。硬件结构框图如图1所示。

由图1可以看出，系统主要由以下模块构成：图像采集模块、无线通信模块、超声波测距模块、红外感应模块、MINI2440、单片机STC89 C52以及直流电机驱动模块等。下面重点介绍直流电机驱动模块。