基于MSP430智能小車的設計

作者：時間：2012-06-08 來源：網(wǎng)絡

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2．2 超聲波模塊
避障是智能小車運動過程中最基本的功能，而避障首要是確定機器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測模塊采用SRF08超聲波收發(fā)模塊，其波頻率為40 kHz，檢測距離范嗣為3 cm～6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設計共采用4個超聲波收發(fā)模塊分別安裝在小車的正前方，右前方和左前方和后方，4個模塊分別接在MSP430單片機的I／OP1．0、I／OP1．1、I／OP1．2、I／OP1．3、I／OP1. 4、I／OP1. 5、I／OP1．6、I／OP1．6端口上，采用I／O觸發(fā)測距，單片機給SDA提供25μs高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 Hz方波，并且檢測是否有返回信號，若有返回信號，SCL管腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，從而計算出超聲波從發(fā)射到接收所用的時間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度

(其中T為攝氏溫度)，此時可得到是否避障的距離為s=vt／2。
2．3 測溫和電源模塊
為了使計算的距離更精確而不受溫度影響，該設計中加入了DS18B20溫度傳感器接在I／OP4．6上，實時檢測機器人周圍環(huán)境的溫度T(T的值要精確到小數(shù)點后3位)，以修正聲速的傳播公式V，從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3．3 V，電機驅(qū)動采用12 V電壓，測速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩(wěn)壓電路。
2．4 語音模塊
語音電路采用ISD2560芯片為核心器件，結(jié)合外圍電路與單片機接口連接，進行分段尋址，分析所測量數(shù)據(jù)，并設計出語音元素，包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等語音元素，然后分別錄制好語音元素，把這些信息存儲在ISD2560的存儲器單元內(nèi)，測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后，單片機發(fā)送語音地址和音控指令，通過和存儲在ISD2560內(nèi)的地址數(shù)據(jù)匹配，然后由語音電路通過揚聲器播出測量數(shù)據(jù)的結(jié)果。語音芯片的地址碼接口A4、A5、A6、A7、A8分別接在I／OP2．2、I／OP3．0、I／OP3．1、I／OP3．2、I／OP3．3。
2．5 電機驅(qū)動模塊
電機驅(qū)動模塊是智能車的重要組成部分，它和電機共同組成智能小車的運動控制系統(tǒng)。該設計的驅(qū)動輪是由2個M1和M2交流永磁同步電機，因此采用的電機驅(qū)動器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅(qū)動兩個電機，通過控制輸入端IN1-IN4信號，來控制H橋的通斷，使得電機形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制小車運行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機之間加入8個二極管形成續(xù)流達到保護的作用，再則為了防止L298N輸出負載端電機對輸入端信號傳輸產(chǎn)生影響，以及對MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號輸入端通過連接TLP521可控制的光電電耦合器件，達到對L298N信號輸入前端的信號電路與負載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號干擾。本設計中的驅(qū)動電機采用的是方波驅(qū)動的交流永磁同步電機，該電機的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動信號的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能優(yōu)良，運行可靠且便于維護。其電機驅(qū)動和控制模塊電路如圖3所示。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/171327.htm

2．6 測速模塊和PID控制
對速度的檢測、調(diào)節(jié)控制能夠保證小車穩(wěn)定的運行，避免小車在避障時由于車速過高來不及躲避等問題。該設計中采用256線光電編碼器作為速度檢測，2個編碼器和電機同軸相連。它直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。在此采用M／T法測速，單片機通過定時器對電機速度進行10 ms定時采樣，把采樣所得速度信息與給定的速度信息所得的速度差傳給PID控制器，來實現(xiàn)對電機速度的最佳閉環(huán)控制。從而在小車在前進、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車等動作能快速響應且超調(diào)量小，因此系統(tǒng)采用積分分離的PID控制算法，開始取消積分作用，當被調(diào)量相差不大時再引入積分作用，實現(xiàn)算法的具體步驟如下：
1)根據(jù)實際情況，人為的設定一個值w>0，E(k)=R(k)-H(k)，其中R(k)為給定值，H(k)為測量值。
2)當E(k)>w時，采用PD控制調(diào)節(jié)，可以避免超調(diào)過大，還可以使系統(tǒng)有較快的反應。
3)當E(k)w時，采用PID控制調(diào)節(jié)，能夠保證系統(tǒng)的控制精度。