基于DSP和模糊控制的尋線行走機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在最近的機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競賽中，較多參賽題目要求機(jī)器人沿場地內(nèi)白色或黑色指引線行進(jìn)。一些研究人員提出了基于尋線的機(jī)器人設(shè)計(jì)策略，主要是關(guān)注指引線的檢測，但對于機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)未做說明。本文在總結(jié)此類賽事的基礎(chǔ)上，提出了一種將DSP(Digital Signal Processor)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)作為核心處理器，采用模糊控制策略處理來自檢測指引線傳感器信號的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的通用性設(shè)計(jì)方法。

　　1 車體機(jī)械設(shè)計(jì)

　　由于機(jī)器人比賽對參賽機(jī)器人有嚴(yán)格的尺寸限制，需要在有限的空間內(nèi)合理安排各個機(jī)構(gòu)。本文給出車體最小尺寸時驅(qū)動輪、光電傳感器以及控制芯片之間的相對位置，如圖1所示。

　　機(jī)器人采用雙直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，其額定電壓為24V。車體的前后端分別安裝光電傳感器檢測板實(shí)現(xiàn)指引線的檢測。相鄰光電傳感器距離略小于指引線寬度，保證同時有兩個傳感器可以檢測到指引線。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　這部分主要介紹核心控制器DSP與功能擴(kuò)展芯片CPLD的連接，簡要介紹其它功能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.1 核心控制器設(shè)計(jì)

　　目前，機(jī)器人核心控制器多選用單片機(jī)。筆者考慮到單片機(jī)指令周期長、可用資源少，難以滿足機(jī)器人實(shí)時控制的要求，在綜合性價(jià)比、開發(fā)周期等因素后，核心控制器選用TI公司的電機(jī)數(shù)字控制專用DSP——TMS320F240(以下簡稱′F240)。它具有運(yùn)動控制非常有效的事件管理器，其中包括12路比較/PWM通道，可以非常方便地控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速；利用其片內(nèi)的3個可以工作于6種模式的16位通用定時器，可以完成機(jī)器人絕大部分動作的控制；16個10位A/D轉(zhuǎn)換器可以方便地讀取模擬信號。由于機(jī)器人指引線檢測模塊返回信號可看作反饋信號，因此機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。通過設(shè)置′F240定時器，利用I/O端口輸出設(shè)定脈沖信號，該信號經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路使步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)設(shè)定距離。具體實(shí)現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)部分介紹。′F240的其他片內(nèi)I/O、PWM端口、A/D都引出輸入輸出線，方便擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)。

　　從′F240的特點(diǎn)可以看出，′F240可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)器人動作控制。然而根據(jù)車體設(shè)計(jì)方案，需要在車體上安裝20個光電檢測傳感器，占用控制器的20個I/O端口。這樣，′F240可用于擴(kuò)展功能的I/O端口大大減少。機(jī)器人在比賽中會有比較劇烈的撞擊，如設(shè)計(jì)各種功能數(shù)字電路會嚴(yán)重降低控制板的可靠性。此處選用Altera公司的EPM7128作為核心處理器的擴(kuò)展、模糊控制的輸入。為滿足DSP與CPLD之間的協(xié)同處理，′F240與EPM7128可采用如圖2所示的電路連接。′F240的16根數(shù)據(jù)線和A12～A15共4根地址線連到EPM7128，通過選擇信號、寫信號和讀信號完成對EPM7128的讀寫操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+PlusⅡ編程環(huán)境下通過軟件和硬件管腳設(shè)置實(shí)現(xiàn)。這種DSP＋CPLD的結(jié)構(gòu)可以在充分?jǐn)U展系統(tǒng)功能的同時，使DSP更能發(fā)揮其運(yùn)算功能強(qiáng)大的特點(diǎn)[4]。

　　穩(wěn)壓電路主要由LM7805芯片組成；信號輸入電路由微動開關(guān)經(jīng)反相器71HC14后再送往DSP，微動開關(guān)輸入電路有去耦電路，輸出信號加上拉電阻；顯示模塊采用MAX7219芯片驅(qū)動，八位LED數(shù)碼管，每個LED對應(yīng)三個I/O端口。

　　2.2 光電檢測模塊

　　光電檢測模塊的功能是將指引線準(zhǔn)確地檢測出來。此處主要借助反射式光藕TCRT5000。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，其集電極電流Ic與反射距離d之間有圖3所示關(guān)系。

　　TCRT5000的應(yīng)用電路見如4所示。當(dāng)檢測到綠色地面時，由于反射率不高，Ic1太小，三極管T2截止而輸出高電平。當(dāng)檢測到白色地面時，由于反射率較高，Ic1較大，三極管T2飽和而輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了白線的檢測。555構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，用于去除反射性光耦產(chǎn)生的噪聲和波形的整形。

　　2.3 動作電機(jī)控制電路

　　在機(jī)器人尋線行走過程中，需要完成規(guī)定的動作。這些動作的完成不需要控制相應(yīng)動作電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本文直接利用I/O輸出控制信號驅(qū)動固態(tài)繼電器進(jìn)而使直流電機(jī)動作。固態(tài)繼電器選用松下電器公司雙刀雙擲(DPDT)型，型號為DS2Y-S-DC5V。盡管此繼電器控制電壓為5V，可與TTL的邏輯電平相兼容，但一般TTL芯片的輸出電流還達(dá)不到其輸入電流40mA。集電極開路的門電路(Open Collector Gate，簡稱OC門)可增大輸出電流，并且繼電器兩控制端的輸入電阻剛好可以作為OC門電路輸出需要的上拉電阻。具體選用具有OC門結(jié)構(gòu)的芯片ULN2003，它是由7個NPN達(dá)林頓管組成的高電壓、高電流達(dá)林頓驅(qū)動器。 因?yàn)槊總€DS2Y-S-DC5V提供兩組常開端口，因此如果在兩組端口的N.O.端口上分別連上電機(jī)電源的正極和地，則可以用兩個繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于繼電器在切換電壓時，繼電器線圈會產(chǎn)生大的反電動勢,需要在繼電器切換電壓的兩端加續(xù)流二極管，以消除切換時的電火花，避免出現(xiàn)大的浪涌電流，減少繼電器產(chǎn)生的電磁干擾。