機(jī)器人技術(shù)融合丁機(jī)械、電于、傳感器、計算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科理論與技術(shù)，是當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域技術(shù)綜合體。移動型機(jī)器人主要用于對一些危險和未知地域進(jìn)行探索，例如是探索外星地表、進(jìn)行引爆地雷等都需要使用到移動型機(jī)器人。智能交通系統(tǒng)（ITS）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)實驗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。本文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)計和實現(xiàn)。 

　　1 TMS320LF2407A簡介

　　TI公司TMS320LF2407A芯片具有改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)體系，采用了流水線技術(shù)等優(yōu)點，而且采用了高性能靜態(tài)CMOS／技術(shù)，把芯片運(yùn)行電壓降低到3.3V，大大減少了芯片功耗。其CPU具有很高酌處理速度，頻率可以達(dá)到40 MHz，很多復(fù)雜算法在系統(tǒng)控制中得以實施。此外，它還集成了32 KB閃存、16個脈寬調(diào)制（PWM）通道、1個CAN模塊，以及1個超高速500 ns10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等功能強(qiáng)大外設(shè)。

　　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，實現(xiàn)移動機(jī)器人的驅(qū)動。電機(jī)的選型可根據(jù)實際情況選擇小型步進(jìn)電機(jī)或小型直流電機(jī)。這里選用的是瑞土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。

　　3 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)以控制器F2407為，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，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：

　　·支持雙頻：EGSM900／GSM1800

　　·支持GPRS Class8協(xié)議

　　·支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真服務(wù)

　　·采用電路交換方式，傳送速率為14．4kbps

　　·支持的電壓范圍：8V～30V

　　·采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口

　　·體積：65mmx74mmx33mm

　　·重量：130g

　　3.2 驅(qū)動模塊

　　驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動原理相同，都采用脈寬調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行調(diào)速，PWM信號由F2407產(chǎn)生。驅(qū)動電路采用H全橋方式，由4個達(dá)林頓管(2個TIPl32和2個TIPl37)、4個IN4001二極管及與非門組成。電路原理圖如圖2所示。 當(dāng)PWM2、PWM4為低電平而PWMl、PWM3為高電平時，T1、T4飽和導(dǎo)通，T2、T3截止，電流從T1→電機(jī)→T4，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)PWMl、PWM3為低電平而PWM2、PWM4為高電平時，T2、T3飽和導(dǎo)通，T1、T4截止，電流從T2→電機(jī)→T3，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
為防止T1、T3或T2、T4同時導(dǎo)通，形成短路而擊穿器件，要用一對無重疊的PWM輸出去正確地開啟和關(guān)斷這兩對管子。在一個管子關(guān)斷和另一個管子開啟之間加入死區(qū)時間，這樣就使得一個管子開啟前，另一個管子已完全關(guān)斷。F2407具有死區(qū)控制單元是其一大特色，從而可用軟件確保功率電路上下橋臂開關(guān)元件的開通區(qū)間沒有重疊，簡化了硬件電路設(shè)計，提高了可靠性。

　　3.3 4轉(zhuǎn)1串口通信模塊

　　由于DGPS接收機(jī)、磁羅盤、里程計和MC35通信模塊都采用RS-232異步串行通信，而F2407只有一個串行口，所以必須將4個串口數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換處理來完成與F2407的串口通信。為此研制了基于分時復(fù)用方法的4轉(zhuǎn)1串口通信模塊。當(dāng)F2407需要某個傳感器(或無線通信模塊)的數(shù)據(jù)時，就通過電路選通該傳感器占用F2407串口進(jìn)行通信；當(dāng)需要另外傳感器或無線通信模塊數(shù)據(jù)時，則關(guān)斷上次傳感器的選通，同時選通該次傳感器或無線通信模塊。4轉(zhuǎn)1串口通信模塊由3-8譯碼器74LSl38、三態(tài)輸出的四總線緩沖門74LSl25和電平轉(zhuǎn)換器MAX232等組成，其電路原理圖如圖3所示。

　　3.4 定位傳感器

　　3.4.1 DGPS接收機(jī)

　　CPS(定位系統(tǒng))是基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它提供一種廉價實用的可在范圍內(nèi)確定位置、速度和時間的工具。CPS由24顆衛(wèi)星(21顆工作星、3顆備份星)組成星座，星座分布在與地球赤道面傾角為55°的6個軌道面上，其運(yùn)行周期為11小時58分，軌道半徑為20200km，各軌道面夾角，為60°。這樣的分布特點保證了用戶在地球上任何地點、任何時間至少可以連續(xù)地收到4顆以上衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，從而聯(lián)立解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)以及接收機(jī)和GPS間的時間偏移。三維坐標(biāo)采用ECEF笛卡兒坐標(biāo)系或大地坐標(biāo)系如WGS84。

　　單基站DGPS(SRDGPS)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示?；鶞?zhǔn)站由ALLSTAR BASE GPS接收機(jī)、天線和MDS無線電發(fā)射臺、天線組成，流動站由SUPERSTAR GPS接收機(jī)、天線和MDX無線電接收臺、天線組成。其中基準(zhǔn)站安裝在上海交大徐家匯校區(qū)教學(xué)一樓樓頂，該基準(zhǔn)站能覆蓋方圓30公里的范圍，流動站安裝在車載單元上。

    3.4.2 數(shù)字羅盤和車速傳感器

　　采用HoneyWell公司的HMR 3300數(shù)字羅盤作為移動機(jī)器人的方向檢測傳感器。其主要技術(shù)指標(biāo)為：(1)1度航向，0．1度分辨率；(2)0．5度重復(fù)性；(3)±60度傾斜俯仰范圍；(4)15Hz響應(yīng)時間；(5)-40+85度工作溫度；(6)6～15V直流電壓。

　　采用用于大眾汽車公司桑塔納2000型轎車的霍爾車速傳感器作為移動機(jī)器人的車速傳感器。其工作原理是以霍爾傳感器為變換元件，將機(jī)械旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化為電脈沖信號輸出。主要技術(shù)指標(biāo)：(1)輸出波形為矩形脈沖，占空比為50％；(2)每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生6個脈沖；(3)額定電壓為12V。

　　4 電源模塊

　　電源模塊需分別給各傳感器、DSP芯片、其它芯片和電機(jī)供電。其中，磁羅盤、碼盤和DGPS接收機(jī)使用12V直流電壓，DSP芯片使用3．3V直流電壓，其它芯片使用5V直流電壓，還有電機(jī)電源使用12V直流電壓。所以，采用1節(jié)12V的直流蓄電池(4AH)，直流5V通過ST半導(dǎo)體公司的L7805和擴(kuò)流用的功率管實現(xiàn)，DSP芯片用3．3V電源采用ON半導(dǎo)體公司的1SMB5913BT3實現(xiàn)。F2407正常工作時，所有電源管腳都為3．3V；寫入FLASH存儲器時，VCCP引腳為5V供電；復(fù)位時，復(fù)位電路會產(chǎn)生一個10μs寬度的持續(xù)低電平使芯片復(fù)位。

　　5 控制器程序結(jié)構(gòu)

　　DSP程序由五大功能模塊組成，分別為系統(tǒng)初始化模塊、串口通信模塊、路徑引導(dǎo)模塊、驅(qū)動電機(jī)控制模塊和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊。TI公司提供了用于C語言開發(fā)的CC和CCS平臺。為了充分利用芯片的資源，更好地發(fā)揮C語言和匯編語言進(jìn)行軟件開發(fā)的各自優(yōu)點，采用混合編程方法將兩者有機(jī)結(jié)合起來，兼顧兩者的優(yōu)點，避免其弊端。系統(tǒng)的框架如圖5所示。下面對關(guān)鍵的幾大模塊進(jìn)行簡要的闡述。

　　5.1 串口通信模塊

　　該模塊程序采用串口中斷方式實現(xiàn)，主程序主要由系統(tǒng)初始化、串口初始化、串口中斷設(shè)置和等待中斷組成。而中斷子程序分為發(fā)送子程序和接收子程序。本文給出發(fā)送子程序流程圖。主程序及發(fā)送子程序流程圖如圖6所示。

　　5.2 路徑引導(dǎo)模塊

　　該模塊在移動機(jī)器人行駛中為其提供實時的速度和轉(zhuǎn)向指令，從而引導(dǎo)它沿著上位機(jī)給定的路徑行駛。主要包括行駛指令的產(chǎn)生和規(guī)劃路徑的跟蹤兩個環(huán)節(jié)。

　　移動機(jī)器人的前進(jìn)速度的控制不需要連續(xù)變化，可設(shè)置為三檔，分別對應(yīng)高、中和低三個速度。由此確定的前進(jìn)速度跟蹤規(guī)則為：

　　·當(dāng)方向偏差小于10度時，路徑基本為直線，前進(jìn)速度設(shè)為高速；

　　·當(dāng)方向偏差小于90度時，路徑彎曲較嚴(yán)重，前進(jìn)速度設(shè)為低速；

　　·其它情況時，前進(jìn)速度為中速。

　　5.3 驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)控制模塊

　　驅(qū)動電機(jī)模塊采取PID控制策略，將車速傳感器檢測的信號作為電機(jī)的反饋信號，進(jìn)行PID控制，取得了很好的控制效果。轉(zhuǎn)向控制模塊的控制策略與驅(qū)動電機(jī)的類似，只是其反饋的信號為數(shù)字羅盤的方向信號。PID控制算式為：

　　式中，u(k)為控制的輸出；e(k)為k時刻的偏差；Kp、Ki、Kd分別為PID控制算法的比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)。

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　　10 L7805 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/L7805_1971345.html.

　　11 1SMB5913BT3 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/1SMB5913BT3_153696.html.

　　12 TMS320C240 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TMS320C240_196146.html.