большим количеством данных о своей окружающей среде и близлежащих окрестностях позволила роботу реагировать на незапланированные события и объекты.

•Роботизированная собака AIBO от Sony была представлена в 1999 году. АИБО был способен взаимодействовать с людьми. Затем Sony также показала своих роботов Sony Dream, маленьких гуманоидных роботов в разработке для развлечения.

•Знаменитый робот ASIMO Honda был выявлен как самый передовой результат проекта гуманоидов Honda в 2000 году. ASIMO может бегать, ходить, общаться с людьми, взаимодействовать с окружающей средой, распознавать голос и позу.

•3 и 24 января марсоходы Spirit и Opportunity приземляются на поверхность Марса. Запущенный в 2003 году, эти два робота будут ездить во много раз больше, чем первоначально ожидалось, и все еще работают.

•В 2005 году Honda представила обновленную версию ASIMO, которая имеет новые модели поведения и возможности.

•Четырехногий робот под названием «Морская Звезда», который был сп о- собен к самостоятельному моделированию и обучению ходить после повреждения, был создан в Корнельском университете в 2006 году.

2. АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РОБОТИЗИРОВАННОГО УСТРОЙСТВА

2.1. Комплектующие

2.1.1.Микроконтроллер

Внастоящее время существует большое разнообразие вычислительных устройств, ориентированных на применение в решении различных задач. В рамках данной работы наиболее подходящим решением является использование микроконтроллера как центрального узла всей системы. Это связано с тем, что микроконтроллеры, по сравнению с микропроцессорами и другими программируемыми вычислительными устройствами (ПЛИС, вентильные матрицы

идр.), сразу имеют в своем составе физическую реализацию различных интерфейсов передачи данных, а также определенное количество встроенной памяти программ и данных. Микроконтроллеры также часто называют «Система на кристалле». Это означает, что они представляют из себя полностью независимую микросхему с минимальным набором требуемых внешних элементов, в большинстве своем связанных с питанием и тактированием. Данный факт существенно снижает сложность реализации устройства за счет применения меньшего числа компонентов. Но далеко не все микроконтроллеры подходят для использования в рамках данной работы. Основными критериями при выбо-

11

ре микроконтроллера являются доступность, цена, вычислительные возможности, а также трудоемкость программирования.

Первоначально на этапе разработки роботизированного устройства предполагалось применять микроконтроллер ATMega328 [2] на базе платформы Arduino [3]. Его основные характеристики приведены в табл. 2.1. Данный микроконтроллер разработан по технологии КМОП с низким энергопотреблением, его ядро основано на архитектуре RISC с 8-бит шиной данных. Большинство инструкций выполняются за один период тактовой частоты. Имеется возможность аппаратного генерирования сигналов широтно-импульсной модуляции, что необходимо для управления определенными модулями роботизированного устройства. Данный микроконтроллер в настоящее время широко используется в самых разнообразных задачах, а также для него написано большое количество свободно распространяемого программного обеспечения в виде библиотек для работы с периферией и прочего. Другим несомненным преимуществом применения данного микроконтроллера является наличие разработанной на его базе отладочной платы, которая обеспечивает еще большую гибкость использования возможностей микроконтроллера, а также ускоряет время разработки за счет применения готовых внешних подключаемых модулей.

Однако после более глубокого изучения характеристик и возможностей микроконтроллера было выявлено, что его применение в рамках поставленной задачи является затруднительным. Для взаимодействия микроконтроллера с радиомодулем и датчиком определения глобального местоположения в пространстве в обоих случаях используется последовательный интерфейс передачи данных. Микроконтроллер имеет в своем составе два таких интерфейса, однако в случае использования отладочной платы один из них используется для записи программы в память. Таким образом, невозможно осуществить одновременную работу всех устройств совместно с возможностью отладки. В связи с этим было принято решение использовать более производительный микроконтроллер другого семейства.

12

В результате дальнейшего анализа решено использовать микроконтроллер STM32F407ZGT6. Данный микроконтроллер имеет расширенную RISC архитектуру на базе ядра ARM-Cortex M4 с 32-бит системной шиной. Среди основных особенностей данного микроконтроллера можно выделить наличие блока вычислений с плавающей точкой, наличие возможности использования прямого доступа к памяти при передаче данных, а также поддержку инструкций цифровой обработки сигналов. Микроконтроллер STM32F407ZGT6 в настоящее время менее распространен по сравнению с ATMega328, для него нет того количества свободно распространяемого программного обеспечения. Тем не менее, использование STM32F407ZGT6 открывает большой потенциал возможностей для роботизированного устройства, а также последующих его модификаций. Основные характеристики микроконтроллера приведены в табл. 2.2.

Структурная схема микроконтроллера STM32F407ZGT6 (далее – микроконтроллера) изображена в прил. 1. Корпус микроконтроллера с обозначением выводов изображен на рис. 2.1.

Микроконтроллер имеет в своем составе внушительный набор периферийных устройств. Его тактирование может осуществляться как от внешнего источника с максимально допустимой частотой до 25 МГц, так и от внутреннего RC-генератора 16 МГц.

Внешнее тактирование является более предпочтительным, так как при этом можно обеспечить большую стабильность тактовой частоты. Тактирование ядра и периферийных устройств осуществляется раздельно и может настраиваться программным путем, благодаря чему имеется возможность обеспечить относительно малое энергопотребление. Частота тактового генератора может быть использована непосредственно либо после преобразования в умножителе с фазовой автоподстройкой (PLL), благодаря чему тактирование ядра можно считать стабильным даже на предельных частотах. Максимальная стабильная частота на выходе умножителя 168 МГц.

13

Рис. 2.1. Корпус микроконтроллера STM32F407ZGT6 [5]

Таймеры могут работать как счетчики импульсов тактовой частоты, в режиме захвата сигнала, а также в режиме генерирования сигнала с широтноимпульсной модуляцией. Всего микроконтроллер имеет 17 таймеров. Характеристики и параметры таймеров приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Параметры таймеров микроконтроллера

14

Для взаимодействия с внешними устройствами в состав микроконтроллера включены шесть последовательных интерфейсов UART. Их характеристики представлены в табл. 2.4.

Микроконтроллер имеет в своем составе три последовательных интерфейса передачи данных I2C, которые могут работать как в режиме ведущего, так и в режиме подчиненного. Поддерживается стандартный режим передачи (скорость до 100 кбит/с), а также быстрый режим (скорость до 400 кбит/с). Имеется возможность использования 7-бит и 10-бит режимов адресации устройств на шине.

Каждый вывод портов ввода/вывода общего назначения может быть программно сконфигурирован как вход, выход (в том числе выход с открытым стоком) либо вывод с альтернативной функцией. Дополнительно в каждом режиме имеется возможность настроить подтяжку вывода к напряжению питания, к общему выводу, либо оставить вывод в «плавающем» состоянии.

Ко всему прочему, имеется ряд полезных функций, например, аппаратное вычисление циклического избыточного кода (CRC32).

Для обеспечения работоспособности микроконтроллера необходимо обеспечить его бесперебойным стабилизированным питанием, а также подключить генератор тактовой частоты. Структурная схема системы управления питанием микроконтроллера показана на рис. 2.2.

15

VDD – напряжение источника питания цифровой части микроконтроллера, лежащее в пределах от 1.8 до 3.6 вольт. VREF – напряжение питания аналоговой части микроконтроллера (в роботизированном устройстве не используется, поэтому цифровая и аналоговая часть имеют общий источник). Два домена питания используются для обеспечения снижения помех цифровой части схемы на аналоговую. Кроме того, к микроконтроллеру может быть подключено батарейное питание, благодаря чему становиться возможным использовать часы реального времени, а также режимы пониженного энергопотребления и спящий режим. Батарейное питание в роботизированном устройстве в данный момент не используется.

Между каждой из ближайших пар выводов VDD и VSS в обязательном порядке установка блокировочных конденсаторов для снижения помех по питанию. Невыполнение данного условия может привести к непредсказуемой работе роботизированного устройства либо к спонтанным перезагрузкам микроконтроллера.

Рис. 2.2. Схема системы питания микроконтроллера [5]

16

Подключение тактового генератора в виде керамического резонатора к микроконтроллеру схематично показано на рис. 2.3. Максимальная частота внешнего источника составляет 25 МГц. При помощи аналогичной схемы возможно подключение низкочастотного генератора 32 кГц к соответствующим выводам для питания часов реального времени.

Рис. 2.3. Схема подключение источника тактирования к микроконтроллеру [5]

Микроконтроллер в роботизированном устройстве используется в составе специализированной отладочной платы, внешний вид которой изображен на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Отладочная плата микроконтроллера [5]

На плате установлен стабилизатор напряжения 3.3 В для питания микроконтроллера, кварцевый резонатор 8 МГц для тактирования, а также набор соединителей для подключения внешних устройств. Принципиальная схема отладочной платы микроконтроллера приведена в прил. 1.

Дополнительно на плате имеется набор тактовых кнопок, две из которых могут быть запрограммированы для исполнения желаемой функции, одна для сброса микроконтроллера и одна для выбора памяти микроконтроллера при запуске. Установлен разъем MicroUSB 2.0, позволяющий работать на полной скорости и поддерживающий режим OTG. В левой части платы расположен разъем для подключения дисплея, а также карты памяти Flash (в данной работе не используются).

17