基于DSP的移動機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

基于DSP的移動機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
上海交通大學(xué)電子信息學(xué)院(200030) 王洪升 田蔚風(fēng) 金志華
杭州浙江科技學(xué)院教育技術(shù)學(xué)系(310021) 陳以蒙
 
　　摘　要：智能交通系統(tǒng)是21世紀(jì)城市交通的發(fā)展方向,移動機(jī)器人作為智能車輛控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的一個主要部分,對智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的意義。介紹了面向智能交通系統(tǒng)的SJTNC-1移動機(jī)器人的組成和結(jié)構(gòu),并詳細(xì)敘述了基于數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A的控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng) 移動機(jī)器人 數(shù)字信號處理器

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)的概念是美國智能交通學(xué)會于1990年提出的,它將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)及計算機(jī)處理技術(shù)綜合運(yùn)用于整個運(yùn)輸管理系統(tǒng)中,通過對交通信息的采集、傳輸和處理,對交通運(yùn)輸進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理,建立起實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理體系,從而提高了交通效率和安全了,實(shí)現(xiàn)性交通運(yùn)輸服務(wù)和管理的智能化。
　　智能車輛的導(dǎo)航與定位、自動駕駛與控制和車輛的預(yù)警防碰等智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究,近年來受到國內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注,也取得了豐碩的成果。但真正的實(shí)驗(yàn)研究還是很少,基本上只進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。鑒于理論上的模擬和實(shí)際應(yīng)用情況可能相差甚遠(yuǎn),選擇了具有智能性、易擴(kuò)展性和移動性等優(yōu)點(diǎn)的車型移動機(jī)器人作為ITS關(guān)鍵技術(shù)的研究平臺中的主要部分——車輛模擬器。
　　本文所闡述的移動機(jī)器人SJTNC-1,就是面向ITS提出的?？紤]到關(guān)鍵技術(shù)研究中需進(jìn)行大量的計算,如模糊控制、卡爾曼濾波和路徑導(dǎo)引等,并且系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時性要求很高,所以采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為移動機(jī)器人主控CPU。

1 TMS320LF2407A簡介
　　TMS320LF2407A(以下簡稱F2407)是TI公司在TMS320系列DSP的基礎(chǔ)上,專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計的。除了具有一般DSP的改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)外,它還采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),電壓從5V降為3.3V,減少了功耗。并且指令執(zhí)行速度提高到40MIPS,幾乎所有指令都可以在25ns的單周期內(nèi)完成。如此高的運(yùn)算速度使其可以通過采用高級控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波以及狀態(tài)控制等來提高系統(tǒng)的性能。而且,它具有電機(jī)控制應(yīng)用所必需的外設(shè),如:32K片內(nèi)FLASH、2K單訪問RAM、串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、兩個事件管理模塊、16通道雙10位A/D轉(zhuǎn)換器和CAN控制器模塊。

2 移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)
　　考慮到該移動機(jī)器人是面向ITS的,所以采用的是車型結(jié)構(gòu)(四輪結(jié)構(gòu))。前兩輪通過減速比為8:1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能;后兩輪通過減速比為6:1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的驅(qū)動。電機(jī)的選型可根據(jù)實(shí)際情況選擇小型步進(jìn)電機(jī)或小型直流電機(jī)。這里選用的是瑞士Minimotor公司生產(chǎn)的直流電機(jī),這種電機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。

3 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)
　　控制系統(tǒng)以控制器F2407為核心,由無線通信、電機(jī)驅(qū)動、速度傳感器、數(shù)字羅盤、差分GPS(DGPS)接收機(jī)和4轉(zhuǎn)1串口通信模塊等組成,如圖1所示。無線通信模塊根據(jù)自行約定的通信協(xié)議接收上位機(jī)的規(guī)劃好的路徑信息,整個控制系統(tǒng)通過控制驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)使移動機(jī)器人跟蹤該路徑行駛。電機(jī)采用PWM調(diào)速方式,其中驅(qū)動電機(jī)采用雙閉環(huán)(速度和電流)PID控制策略,而轉(zhuǎn)向電機(jī)則通過把數(shù)字羅盤的航向信息作為轉(zhuǎn)向的反饋量進(jìn)行PID控制。整個控制系統(tǒng)把DGPS接收機(jī)的位置信息作為系統(tǒng)的位置反饋信息,用以完成整個系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制。

3.1 無線通信模塊
　　MC35是德國西門子公司生產(chǎn)的可二次開發(fā)的支持GPRS的雙頻GSM模塊,可以通過標(biāo)準(zhǔn)串口與PC機(jī)相連。本系統(tǒng)用MC35作為移動機(jī)器人與上位機(jī)的通信模塊。它具有GPRS技術(shù)帶來的一切優(yōu)點(diǎn),如一直在線和提供高速價廉的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)等。該產(chǎn)品的特性如下: