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1、精品名师归纳总结基于 DSP 的移动机器人的设计与实现摘要： 智能交通系统是 21 世纪城市交通的进展方向,移动机器人作为智能车辆把握系统试验平台的一个主要部分,对 智能交通系统的关键技术的争论具有特别重要的意义。介绍了面对智能交通系统的SJTNC-1 移动机器人的组成和结构,并详细表达了基于数字信号处理器TMS320LF2407A的把握系统的设计和实现。关键词： 智能交通系统 移动机器人 数字信号处理器智能交通系统 ITS 的概念是美国智能交通学会于1990 年提 出的 ,它将先进的信息技术、通信技术、自动把握技术、电子技术及运算机处理技术综合运用于整个运输治理系统中,通过对交通信息的采集、
2、传输和处理,对交通 运输进行和谐和治理 ,建立起实时、精确、高效的综合交通运输治理体系,从而提高了交通效率和安全了,实现性交通运输服务和治理的智 能化。智能车辆的导航与定位、自动驾驶与把握和车辆的预警防碰等智能交通系统关键技术的争论 ,近年来受到国内外越来越广泛的关注,也取得了丰硕的成果。但真正的试验争论仍是很少 ,基本上只进行了仿真试验。鉴于理论上的模拟和实际应用情形可能相差甚远,选择了具有智能性、易扩展性和移动性等优点的车型移动机器人作为 ITS 关键技术的争论平台中的主要部分车辆模拟器。本文所阐述的移动机器人SJTNC-1, 就是面对 ITS 提出的。考虑到关键技术争论中需进行大量的运算
3、 ,如模糊把握、卡尔曼滤波和路径导引等,并且系统对数据的实时性要求很高,所以 采 用 数 字 信 号 处 理 器DSP作 为 移 动 机 器 人 主 控CPU。1TMS320LF2407A简介TMS320LF2407A 以下简称 F2407 是 TI 公司在 TMS320 系列 DSP 的基础上 ,专为数字电机把握而设计的。除了具有一般DSP 的改进 的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外 ,它仍接受高性能静态CMOS 技术 ,电压从 5V 降为 3.3V,削减了功耗。并且指令执行速度提高到 40MIPS, 几乎全部指令都可以在25ns 的单周期内完成。如此高的运算速度使其可以通过接受高级
4、把握算法如模糊把握、卡尔曼滤波以及状态把握等来提高系统的性能。而且 ,它具有电机把握应用所必需的外设,如:32K 片内 FLASH 、2K 单拜望 RAM 、串行外设接口SPI、串行通信接口SCI 、两个大事治理模块、16 通道双10 位A/D转换器和 CAN把握器模块。2移动机器人的运动机构考虑到该移动机器人是面对ITS的,所以接受的是车型结构四轮结构 。前两轮通过减速比为 8:1 的齿轮减速机构与转向电机进行连接,实现移动机器人的转向功能。后两轮通过减速比为 6:1 的齿轮减速机构与驱动电机进行连接,实现移动机器人的驱动。电机的选型可根据实际情形选择小型步进电机或小型直流电机。这里选用的是
5、瑞士Minimotor公司生产的直流 电机 ,这种 电 机具有 体积小 、转 矩大 等特 点。3 移动机器人控制系统把握系统以 把握器 F2407 为核心 ,由无线通信、电机驱动、速度传感器、数字罗盘、差分 GPSDGPS 接收机和 4 转 1 串口通信模块等组成 ,如图 1 所示。无线通信模块依据自行商定的通信协议接收上位机的规划好的路径信息,整个把握系统通过把握驱动电机和转向电机使移动机器人跟踪该路径行驶。电机接受PWM 调速方 式,其中驱动电机接受双闭环速度和电流 PID 把握策略 ,而转向电机就通过把数字罗盘的航向信息作为转向的反馈量进行PID 把握。整个把握系统把DGPS 接收机的位
6、置信息作为系统的位置反馈信息,用以完成整个系统 的位置闭环把握。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.1 无线通信模块MC35 是德国西门子公司生产的可二次开发的支持GPRS 的双频 GSM 模块 ,可以通过标准串口与 PC 机相连。本系统用MC35 作为移动机器人与上位机的通信模块。它具有GPRS 技术带来的一切优点 ,如始终在线和供应高速价廉的数据传送服务等。该产品的特性如下:支持双频 :EGSM900/GSM1800支持 GPRS Class8 协议支持数据、语音、短消息和传真服务接受电路交换方式,最大传送速率为 14.4kbps支持的电压范畴 :8V 30V接受标准工业接
7、口体积 :65mm 74mm 33mm重量 :130g3.2 驱动模块驱动电机和转向电机的驱动原理相同,都接受脉宽调制 PWM 方式进行调速 ,PWM 信号由 F2407 产生。驱动电路接受H 全桥方式 ,由 4 个达林顿管 2 个 TIP132 和 2 个 TIP137 、4 个 IN4001 二极管及与非门组成。电路原理图如图2 所示。当 PWM2 、PWM4 为低电平而PWM1 、PWM3 为 高电平常 ,T1、T4 饱和导通 ,T2、 T3 截止,电流从 T1 电机 T4,电机正转。反之 ,当 PWM1 、PWM3 为低电平而 PWM2 、PWM4 为高电平 时,T2 、T3 饱和导通
8、 ,T1、T4 截止,电流从 T2 电机 T3,电机反转。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结为防止 T1 、T3 或 T2 、T4 同时导通 ,形成短路而击穿器件 ,要用一对无重叠的PWM 输出去正确的开启和关断这两对管子。在一个管子关断和另一个管子开启之间加入死区时间 ,这样就使得一个管子开启前,另一个管子已完全关断。F2407 具有死区把握单元是其一大特色, 从而可用软件确保功率电路上下桥臂开关元件的开通区间没有重叠,简化了硬件电路设计 ,提高了牢靠性。3.3 4 转 1 串口通信模块由于 DGPS 接收机、 磁罗盘、里程计和 MC35 通信模块都接受 RS-232 异步串行
9、通信 , 而 F2407 只有一个串行口 ,所以必需将 4 个串口数据通过转换处理来完成与 F2407 的串口通信。为此研制了基于分时复用方法的 4 转 1 串口通信模块。当 F2407 需要某个传感器 或无线通信模块 的数据时 ,就通过电路选通该传感器占用 F2407 串口进行通信。当需要另外传感器或无线通信模块数据时,就关断上次传感器的选通,同时选通该次传感器或无线通信模块。4转 1 串口通信模块由 3- 8 译码器 74LS138 、三态输出的四总线缓冲门74LS125 和电平转换器 MAX232等组成 ,其电路原理图如图3 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3.4
10、定位传感器 3.4.1 DGPS 接收机GPS全球定位系统 是基于卫星的无线电导航系统,它供应一种廉价有用的可在全球范围内确定位置、速度和时间的工具。GPS 由 24 颗卫星 21 颗工作 星、 3 颗备份星 组成星座 , 星座分布在与的球赤道面倾角为55的 6 个轨道面上 ,其运行周期为11 小时 58 分,轨道半径为 20210km, 各轨道面夹角为 60 。每颗卫星向的球发射L 频段的特高连续波,调制两种伪随机码 军用高精度保密 P 码和民用 C/A 码。这样的分布特点保证了用户在的球上任何的点、任何时间至少可以连续的收到4 颗以上卫星的导航信号,从而联立解算出接收机的三维坐标以及接收机
11、和 GPS 间的时间偏移。三维坐标接受ECEF 笛卡儿坐标系或 大的坐标系如WGS84 。虽然美国政府于 2001 年 5 月取消了民用 C/A 码的可选择性爱惜,但民用导航型GPS 接收机的单点实时定位精度只能达到25m 左右 ,不能中意系统的定位导航要求。而接受实时差分 GPSDGPS, 其定位精度可以达到2 5m,该精度已能中意系统定位和导航的要求。为此研发了单基站DGPSSRDGPS 系统,其结构框图如图 4 所示。基准站由 ALLSTARBASE GPS 接收机、天线和 MDS 无线电发射台、天线组成,流淌站由 SUPERSTAR GPS 接收机、天线和 MDX 无线电接收台、天线组
12、成。其中基准站安装在上海交大徐家汇校区教案一楼楼顶 ,该基准站能掩盖方圆30 公里的范畴 ,流淌站安装在 车载单元上。3.4.2 数字罗盘和车速传感器接受 HoneyWell 公司的 HMR 3300 数字罗盘作为移动机器人的方向检测传感器。其主要技术指标为 :11 度航向精度 ,0.1 度辨论率。 20.5 度重复性。 3 60 度倾斜俯 仰范畴。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结415Hz 响应时间。 5-40 85 度工作温度。 66 15V 直流电压。同时接受用于大众汽车公司桑塔纳2000 型 轿车的霍尔车速传感器作为移动机器人的车速传感器。其工作原理是以霍尔传感器为变换
13、元件,将机械旋转量转化为电脉冲信号输出。主要技术指标为 :1 输出 波形为矩形脉冲 ,占空比为 50%。2 每旋转一周产生 6 个脉冲。 3额定电压为 12V 。4 电源模块电源模 块需分别给各传感器、DSP 芯片、其它芯片和电机供电。其中,磁罗盘、码盘和DGPS 接收机使用 12V 直流电压 ,DSP 芯片使用 3.3V 直流电压 ,其它芯 片使用 5V 直流电压 ,仍有电机电源使用12V 直流电压。所以 ,接受 1 节 12V 的直流蓄电池 4AH, 直流 5V 通过 ST 半导体公司的 L7805 和扩流用的 功率管实现 ,DSP 芯片用 3.3V 电源接受 ON 半导体公司的1SMB5
14、913BT3 实现。 F2407 正常工作时 ,全部电源管脚都为3.3V 。写入 FLASH 储备器时,VCCP 引脚为 5V 供电。复位时 ,复位电路会产生一个10s宽度的连续低电平使芯片复位。5 把握器程序结构DSP 程序由五大功能模块组成,分别为系统初始化模块、串口通信模块、路径引导模块、驱动电机把握模块和转向电机把握模块。TI 公司供应了用于 C 语言开 发的 CC 和 CCS平台。该平台包括了ANSI C 优化编译器 ,从而可以在源程序级进行开发调试。这种方式大大提高了软件的开发速度和可读性,便利了软件的修改和移植。但在某些情形下,代码的效率仍是无 法与手工编写的汇编代码的效率相比。
15、此外,用 C 语言实现芯片的某些硬件把握也不如汇编程序便利 ,有些甚至无法用语言实现。为了充分利用芯片的资源 ,更好的 发挥 C 语言和汇编语言进行软件开发的各自优点 ,接受混合编程方法将两者有机结合起来 ,兼顾两者的优点 ,防止其弊端。系统的框架如图 5 所示。下面对关键的几 大模块进行简要的阐述。5.1 串口通信模块该模块程序接受串口中断方式实现,主程序主要由系统初始化、串口初始化、串口中断设置和等待中断组成。而中断子程序分为发送子程序和接收子程序。本文给动身送子程序流 程图。主程序及发送子程序流程图如图6 所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结5.2 路径引导模块该模块在
16、移动机器人行驶中为其供应实时的速度和转向指令,从而引导它沿着上位机给定的路径行驶。主要包括行驶指令的产生和规划路径的跟踪两个环节。依据预瞄跟随理论及驾驶员的开车行为特性,智能行驶和驾驶员操纵行为是内在一样的。通过争论有驾驶员操纵行为,发觉主要依据两个因素准备车辆的前进速度,这两个因素分别是道路的弯曲程度和机器人相对参考路径上的方向偏差。移动机器人的前进速度的把握不需要连续变化,可设置为三档 ,分别对应高、中和低三个速度。由此确定的前进速度跟踪规章为:当方向偏差小于 10 度时 ,路径基本为直线 ,前进速度设为高速。当方向偏差小于 90 度时 ,路径弯曲较严肃 ,前进速度设为低速。其它情形时 ,前进速度为中速。5.3 驱动电机和转向电机把握模块驱动电机模块实行PID 把握策略 ,将车速传感器检测的信号作为电机的反馈信号,进行 PID 把握,取得了很好的把握成效。转向把握模块的把握策略与驱动电机的类似,只是其反馈的信号为数字罗盘的方向信号。PID 把握算式为 :式中 ,uk 为把握的输出。 ek为 k 时刻的偏差。 Kp、Ki 、Kd 分别为 PID 把握算法的比例系数、积分常数和微分常数。可编辑资料 - - - 欢迎下载