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1、基于DSP的挪动机器人的设计与实现shixi导语：挪动机器人作为智能车辆控制系统实验平台的一个主要局部，面向智能交通系统的SJTNC-1挪动机器人的组成和构造，并详细表达了基于数字信号处理器TMS320LF2407A的控制系统的设计和实现。摘要：智能交通系统是21世纪城市交通的开展方向，挪动机器人作为智能车辆控制系统实验平台的一个主要局部，对智能交通系统的关键技术的研究具有特别重要的意义。介绍了面向智能交通系统的SJTNC-1挪动机器人的组成和构造，并详细表达了基于数字信号处理器TMS320LF2407A的控制系统的设计和实现。关键词：智能交通系统挪动机器人数字信号处理器智能交通系统ITS的概
2、念是美国智能交通学会于1990年度提出的，它将先进的信息技术、通信技术、自动控制技术、电子技术及计算机处理技术综合运用于整个运输管理系统中，通过对交通信息的收集、传输和处理，对交通运输进展协调和管理，建立起实时、准确、高效的综合交通运输管理体系，进而进步了交通效率和平安了，实现性交通运输效劳和管理的智能化。智能车辆的导航与定位、自动驾驶与控制和车辆的预警防碰等智能交通系统关键技术的研究，近年度来受到国内外越来越广泛的关注，也获得了丰硕的成果。但真正的实验研究还是很少，根本上只进展了仿真试验。鉴于理论上的模拟和实际应用情况可能相差甚远，选择了具有智能性、易扩展性和挪动性等优点的车型挪动机器人作为
3、ITS关键技术的研究平台中的主要局部车辆模拟器。本文所阐述的挪动机器人SJTNC-1，就是面向ITS提出的。考虑到关键技术研究中需进展大量的计算，如模糊控制、卡尔曼滤波和途径导引等，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作为挪动机器人主控CPU。1TMS320LF2407A简介TMS320LF2407A以下简称F2407是TI公司在TMS320系列DSP的根底上，专为数字电机控制而设计的。除了具有一般DSP的改良的哈佛构造、多总线构造和流水线构造等优点外，它还采用高性能静态CMOS技术，电压从5V降为3.3V，减少了功耗。并且指令执行速度进步到40MIPS，几乎所有指令都
4、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采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波和状态控制等来进步系统的性能。而且，它具有电机控制应用所必需的外设，如：32K片内FLASH、2K单访问RAM、串行外设接口SPI、串行通信接口SCI、两个事件管理模块、16通道双10位A/D转换器和CAN控制器模块。2挪动机器人的运动机构考虑到该挪动机器人是面向ITS的，所以采用的是车型构造四轮构造。前两轮通过减速比为8：1的齿轮减速机构与转向电机进展连接，实现挪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展连接，实现挪动机器人的驱动。电机的选型可根据实际情况选择小型步进
5、电机或者小型直流电机。这里选用的是瑞士Minimotor公司消费的直流电机，这种电机具有体积小、转矩大等特点。3挪动机器人控制系统控制系统以控制器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。无线通信模块根据自行约定的通信协议接收上位机的规划好的途径信息，整个控制系统通过控制驱动电机和转向电机使挪动机器人跟踪该途径行驶。电机采用PWM调速方式，其中驱动电机采用双闭环速度和电流PID控制策略，而转向电机那么通过把数字罗盘的航向信息作为转向的反应量进展PID控制。整个控制系统把DGPS接收机的位置信息作为系统的位置反应
6、信息，用以完成整个系统的位置闭环控制。3.1无线通信模块MC35是德国西门子公司消费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作为挪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，如一直在线和提供高速价廉的数据传送效劳等。该产品的特性如下：支持双频：EGSM900/GSM1800支持GPRSClass8协议支持数据、语音、短消息和效劳采用电路交换方式，最大传送速率为14.4kbps支持的电压范围：8V30V采用标准工业接口体积：65mm74mm33mm重量：130g3.2驱动模块驱动电机和转向电机的驱动原理一样，都采用脉宽调制PWM
7、方式进展调速，PWM信号由F2407产生。驱动电路采用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为高电平时，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，T1、T4截止，电流从T2电机T3，电机反转。为防止T1、T3或者T2、T4同时导通，形成短路而击穿器件，要用一对无重叠的PWM输出去正确地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参加死区时间，这样
8、就使得一个管子开启前，另一个管子已完全关断。F2407具有死区控制单元是其一大特色，进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，进步了可靠性。3.34转1串口通信模块由于DGPS接收机、磁罗盘、里程计和MC35通信模块都采用RS-232异步串行通信，而F2407只有一个串行口，所以必须将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需要某个传感器或者无线通信模块的数据时，就通过电路选通该传感器占用F2407串口进展通信；当需要另外传感器或者无线通信模块数据时，那么关断上次传感器的选通，同时选
9、通该次传感器或者无线通信模块。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。3.4定位传感器3.4.1DGPS接收机GPS全球定位系统是基于卫星的无线电导航系统，它提供一种廉价实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，星座分布在与地球赤道面倾角为55的6个轨道面上，其运行周期为11小时58分，轨道半径为20200km，各轨道面夹角为60。每颗卫星向地球发射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
10、用户在地球上任何地点、任何时间至少可以连续地收到4颗以上卫星的导航信号，进而联立解算出接收机的三维坐标和接收机和GPS间的时间偏移。三维坐标采用ECEF笛卡儿坐标系或者大地坐标系如WGS84。固然美国政府于2001年度5月取消了民用C/A码的可选择性保护，但民用导航型GPS接收机的单点实时定位精度只能到达25m左右，不能知足系统的定位导航要求。而采用实时差分GPSDGPS，其定位精度可以到达25m，该精度已能知足系统定位和导航的要求。为此研发了单基站DGPSSRDGPS系统，其构造框图如图4所示。基准站由ALLSTARBASEGPS接收机、天线和MDS无线电发射台、天线组成，流动站由SUPER
11、STARGPS接收机、天线和MDX无线电接收台、天线组成。其中基准站安装在上海交大徐家汇校区教学一楼楼顶，该基准站能覆盖方圆30公里的范围，流动站安装在车载单元上。3.4.2数字罗盘和车速传感器采用HoneyWell公司的HMR3300数字罗盘作为挪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度分辨率；20.5度重复性；360度倾斜俯仰范围；415Hz响应时间；5-4085度工作温度；6615V直流电压。同时采用用于群众汽车公司桑塔纳2000型轿车的霍尔车速传感器作为挪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元件，将机械旋转量转化为电脉冲信号输出。主要技术指标
12、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，还有电机电源使用12V直流电压。所以，采用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电源采用ON半导体公司的1SMB5913BT3实现。F2407正常工作时，所有电源管脚都为3.3V；写入FLASH存储器时，VCCP引脚为5V供电；复位时，复位电路会产生一个10s
13、宽度的持续低电平使芯片复位。5控制器程序构造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、途径引导模块、驱动电机控制模块和转向电机控制模块。TI公司提供了用于C语言开发的CC和CCS平台。该平台包括了ANSIC优化编译器，进而可以在源程序级进展开发调试。这种方式大大进步了软件的开发速度和可读性，方便了软件的修改和移植。但在某些情况下，代码的效率还是无法与手工编写的汇编代码的效率相比。此外，用C语言实现芯片的某些硬件控制也不如汇编程序方便，有些甚至无法用语言实现。为了充分利用芯片的资源，更好地发挥C语言和汇编语言进展软件开发的各自优点，采用混合编程方法将两者有机结合起来，兼顾
14、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展扼要的阐述。5.1串口通信模块该模块程序采用串口中断方式实现，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。本文给出发送子程序流程图。主程序及发送子程序流程图如图6所示。5.2途径引导模块该模块在挪动机器人行驶中为其提供实时的速度和转向指令，进而引导它沿着上位机给定的途径行驶。主要包括行驶指令的产生和规划途径的跟踪两个环节。根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致的。通过研究有驾驶员操纵行为，发现主要根据两个因素决定车辆的前进速度，这
15、两个因素分别是道路的弯曲程度和机器人相对参考途径上的方向偏向。挪动机器人的前进速度的控制不需要连续变化，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那么为：当方向偏向小于10度时，途径根本为直线，前进速度设为高速；当方向偏向小于90度时，途径弯曲较严重，前进速度设为低速；其它情况时，前进速度为中速。5.3驱动电机和转向电机控制模块驱动电机模块采取PID控制策略，将车速传感器检测的信号作为电机的反应信号，进展PID控制，获得了很好的控制效果。转向控制模块的控制策略与驱动电机的类似，只是其反应的信号为数字罗盘的方向信号。PID控制算式为：式中，uk为控制的输出；ek为k时刻的偏向；Kp、Ki、Kd分别为PID控制算法的比例系数、积分常数和微分常数。参考文献1史新宏.智能交通系统的开展.北方交通大学学报，2002；261：29342李现勇.VisualC+串口通信技术与工程理论.北京：人民邮电出版社，20023刘和平.TMS320LF240XDSP构造、原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，20024黄英哲.TMS320C240原理与C语言控制应用实习.北京：中国水利水电出版社，20035李庆中.挪动机器人途径跟踪的智能预瞄控制方法研究.机器人，2002；243：2522550