基于教育機器人硬件平臺的智能小車設(shè)計

智能機器人作為一個高新科技的綜合體，直接反應(yīng)了一個國家信息技術(shù)的發(fā)展水平，受到了社會各界的高度重視。智能機器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所用內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，并且智能機器人是信息技術(shù)的開放平臺，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生對信息技術(shù)的開發(fā)能力，在開發(fā)過程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

本文設(shè)計的以智能小車為載體的基于TMS320LF2407A教育機器人硬件平臺，包括電源模塊和電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計，并集成了紅外和光敏傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過軟件設(shè)計可實現(xiàn)尋跡、避障及尋跡避障相結(jié)合的功能，達到了理論課程學(xué)習(xí)與動手實踐相結(jié)合的目的，鞏固了知識并進一步提高了學(xué)習(xí)者的興趣。

1 設(shè)計思想與總體方案

1.1 教育機器人的設(shè)計思想

本教育機器人以TMS320LF2407A微控制器為核心，由紅外傳感器和光電傳感器等各種傳感器采集的外部環(huán)境信息作為輸入信號，通過DSP進行運算處理，利用PWM技術(shù)實時輸出調(diào)整小車的速度和方向，實現(xiàn)小車尋跡、避障、尋跡加避障等自動控制的功能，另外在小車于尋跡過

程中遇到障礙物，當(dāng)尋跡加避障算法在尋跡的同時不能完成避障功能時，可由PC機與其相連的無線通信收發(fā)模塊和DSP相連的另一無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線短距離通信，控制小車脫離障礙區(qū)并進行正常尋跡。

1.2 總體設(shè)計方案和框圖

機器人小車系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407A最小系統(tǒng)部分、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，實現(xiàn)由車載的各種傳感器將信息不斷地傳遞給車載微控制器，并將編程設(shè)計算法下載至微控制器實現(xiàn)實時調(diào)整小車的運動狀態(tài)，完成一定的功能要求。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

2.1 TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設(shè)計

TMS320LF2407A是2000系列中目前應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品，它在片上不僅具有一個適于進行數(shù)字信號處理的高效處理器，而且還集成了存儲器和適應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的豐富片上外設(shè)，從而構(gòu)成了一個基本的片上計算機系統(tǒng)。除了具有改進的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點外，它還采用高性能靜態(tài) CMOS技術(shù)，電壓降為3.3V,減少了功耗，指令執(zhí)行速度提高到40MIPS,幾乎所有指令都可以在2 5ns的單周期內(nèi)完成。TMS320LF2407A的基本結(jié)構(gòu)包括中央處理器單元(CPU)、存儲器、片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路三個組成部分。本系統(tǒng)硬件平臺充分利用TMS320LF2407A控制器的特點采用模塊化設(shè)計，分為基本電路和擴展控制電路部分?；倦娐钒娫措娐贰?fù)位電路、時鐘電路、A/D 輸入通道和JTAG仿真電路等。擴展電路包括存儲器及譯碼電路、串行通信SCI與RS-232接口電路、CAN接口電路、SPI功能模塊等。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

此部分采用光電傳感器對路面信息進行識別。采用RPR220型光電對管，RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收管是一個高靈敏度的硅平面光電三極管，用3個該紅外對管構(gòu)成“一”字形排列在小車車頭的底部，路徑軌跡由黑線指示，根據(jù)落在黑線區(qū)域的光電三極管接收到的反射光線強度與白色區(qū)域的不同，由檢測到的黑線光電管的位置來判斷小車的位置方向看其是否偏離黑線，當(dāng)紅外對管的發(fā)射二極管發(fā)出紅外線，經(jīng)反射物 (白線)反射到接收管，是接收管集電極與發(fā)射極之間的電阻變小，輸入端電位變低，經(jīng)比較器比較后輸出低電平，當(dāng)紅外線照射到黑線上時，反射到接收管上的光亮減小，接收管的集電極與發(fā)射極間電阻增大使得輸出高電平，將輸出端信號送至2407A進行分析處理，反射式光電傳感器原理如圖3所示。3個傳感器中如果位于中間的傳感器(中傳感器)檢測到黑線，從傳感器將發(fā)出“有線”信號，后輪兩電機繼續(xù)接通運轉(zhuǎn)，結(jié)果驅(qū)動車體前進。如果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個未檢測到黑線，則該傳感器輸出“無線”信號，這時脫離引導(dǎo)線的傳感器對側(cè)的驅(qū)動電機停止運行，同側(cè)電機繼續(xù)運行，以此達到校正行進方向的目的。

2.3 紅外避障模塊設(shè)計

在小車行進過程中遇到障礙物，無法正常通過時，采用紅外線檢測器檢測障礙物，并設(shè)計算法控制小車繞開障礙物繼續(xù)尋跡前進。在小車前端兩側(cè)分別安裝1個紅外發(fā)射二極管(如東芝TLN110)進行紅外信號的發(fā)射，紅外線光源發(fā)出的信號調(diào)制到38kHz,使用2407A的PWM輸出產(chǎn)生精確的信號。紅外接收器由安裝在車頭中央的專用紅外接收模塊(如CRVPl738)對紅外信號進行接收。小車前進路線中障礙物的判斷原則：a.左邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號;b.右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號;c.若左邊發(fā)射時，有信號接收則小車左邊有障礙物;若右邊發(fā)射時，有信號接收則小車右邊有障礙物;若左邊和右邊發(fā)射時，都有信號接收則小車正前方有障礙物。

在小車前進過程中有三種避障算法：沿左邊行走，沿右邊行走，左右相結(jié)合行走。本設(shè)計要實現(xiàn)在多種環(huán)境下都能避障，所以選擇左右結(jié)合行走的算法。在小車左、右側(cè)兩側(cè)等比例安裝若干紅外測距傳感器(GP2D12)，用于防止小車在避障過程中與障礙物發(fā)生碰撞，由于GP2-D12輸出為0.4~2.4V的模擬信號，對應(yīng)80~10cm距離，輸出與距離成反比關(guān)系，且為非線性，可直接利用2407A集成的A/D轉(zhuǎn)換功能，進行A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)由 DSP進行相應(yīng)處理，進行避障前進。在避障過程中，采用接近式控制策略，維持障礙物和傳感器之間的距離為一固定常數(shù)，當(dāng)兩者距離偏小時，機器人向遠離障礙物的方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)兩者距離偏大時，向靠近障礙物的方向旋轉(zhuǎn)。小車沿障礙物行進過程中，在車頭底部光電傳感器檢測到黑線時，小車開始調(diào)整行進姿勢，遠離障礙物，繼續(xù)尋跡。另外在小車無法成功繞過障礙物繼續(xù)尋跡時，可以通過無線通信模塊控制小車繞過障礙物使其繼續(xù)尋跡。