基于DSP和模糊控制的尋線行走機器人設(shè)計與實現(xiàn)

　　在最近的機器人比賽和電子設(shè)計競賽中，較多參賽題目要求機器人沿場地內(nèi)白色或黑色指引線行進。一些研究人員提出了基于尋線的機器人設(shè)計策略，主要是關(guān)注指引線的檢測，但對于機器人的整體設(shè)計未做說明。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器人行走機構(gòu)的通用性設(shè)計方法。

　　1 車體機械設(shè)計

　　由于機器人比賽對參賽機器人有嚴格的尺寸限制，需要在有限的空間內(nèi)合理安排各個機構(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。

　　機器人采用雙直流步進電機驅(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

　　這部分主要介紹核心控制器DSP與功能擴展芯片CPLD的連接，簡要介紹其它功能模塊的硬件實現(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

　　目前，機器人核心控制器多選用單片機。筆者考慮到單片機指令周期長、可用資源少，難以滿足機器人實時控制的要求，在綜合性價比、開發(fā)周期等因素后，核心控制器選用TI公司的電機數(shù)字控制專用DSP——TMS320F240(以下簡稱′F240)。它具有運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。由于機器人指引線檢測模塊返回信號可看作反饋信號，因此機器人驅(qū)動電機選用步進電機。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)步進電機驅(qū)動電路使步進電機行進設(shè)定距離。具體實現(xiàn)在軟件設(shè)計部分介紹。′F240的其他片內(nèi)I/O、PWM端口、A/D都引出輸入輸出線，方便擴展功能的實現(xiàn)。

　　從′F240的特點可以看出，′F240可用于實現(xiàn)復(fù)雜控制算法和進行復(fù)雜的機器人動作控制。然而根據(jù)車體設(shè)計方案，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可用于擴展功能的I/O端口大大減少。機器人在比賽中會有比較劇烈的撞擊，如設(shè)計各種功能數(shù)字電路會嚴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)置實現(xiàn)。這種DSP＋CPLD的結(jié)構(gòu)可以在充分擴展系統(tǒng)功能的同時，使DSP更能發(fā)揮其運算功能強大的特點[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 動作電機控制電路

　　在機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)繼電器進而使直流電機動作。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達林頓管組成的高電壓、高電流達林頓驅(qū)動器。 因為每個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電源的正極和地，則可以用兩個繼電器實現(xiàn)電機的正反轉(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。