RFID導購機器人導航與控制系統的設計

并且在設計的過(guò)程中根據實(shí)際情況的需要，對傳統的紅外避障傳感器進(jìn)行了一些改進(jìn)，同時(shí)，對信息融合狀態(tài)下的DSP系統的驅動(dòng)架購設計，作出了一些研究和論述。給出了小型機器人的運動(dòng)控制的驅動(dòng)電路的設計。最后，對這種架構下的自行設計出來(lái)的機器人，在超級市場(chǎng)中進(jìn)行了實(shí)際的穩定性測試。

1前言

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人民生活水平提高，機器人已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活中。這個(gè)時(shí)代的來(lái)臨，出現了各種新型機器人，如清掃機器人、安防機器人。移動(dòng)機器人的最重要的部分之一：導航系統，更加引起機器人領(lǐng)域的關(guān)注。機器人導航系統對許多機器人應用領(lǐng)域至關(guān)重要如：智能倉庫，超市導購，家用機器人，自動(dòng)化圖書(shū)館，智能醫院等。比較普遍的是尋線(xiàn)機器人。作者在讀研期間，多次參加這類(lèi)機器人比賽和設計。實(shí)際設計中發(fā)現：因為受到固定線(xiàn)的限制，這種體系并不能實(shí)現真正意義上的全方位的自主運行。另外，這種方法受到光的影響很大，不能實(shí)際的應用與生活中。線(xiàn)在地表也會(huì )影響地面美觀(guān)。在經(jīng)過(guò)充分的文獻查找和思考后提出了一種新的機器人導航系統，把RFID，地磁感應，DSP等技術(shù)融合。進(jìn)行了實(shí)際的系統硬軟件設計和穩定性測試。

2 導航硬件系統

我們開(kāi)發(fā)的硬件系統主要由：DSP核心板,RFID板,系統主板，電子羅盤(pán)，驅動(dòng)板構成。

2.1DSP核心板

我們自行設計的DSP系統采用TMS320F2812為核心，2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性?xún)r(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。核心采用高速的處理機，主要是考慮以后對于系統的二次開(kāi)發(fā)。以及方便算法的移植。指令系統最高可在150MHZ主頻下工作，并帶有18k的0等待周期片上SRAM和128k片上存取時(shí)間為36ns FLASH。其片上外設主要包括ADC、雙SCI、SPI、McBSP、eCAN等，并帶有事件管理模塊（EVA、EVB），分別包括6路PWM/CMP、2路Q(chēng)EP、3路CAP、2路16位定時(shí)器。其中的雙SCI可以一路接傳感器一路接PC及時(shí)輸出調試信息。16位的PWM可以實(shí)現精細的調速。CAP等方便了與傳感器的接口。最大輸入為3V的16路、12位,轉換時(shí)間為80ns的ADC可以同時(shí)接16路距離傳感器。2812擁有16×16位雙乘法累加器，可以為處理射頻和地磁方向信號提供足夠的處理速度。由于2812核心電壓（1.8V）和起振頻率的特殊性，此核心板采用無(wú)源晶振。

核心板采用TPS767D318雙路輸出低壓降LDO。提供雙電源，保證了核心電壓1.8V的穩定供給。TPS767D318有高速的瞬態(tài)響應，專(zhuān)用于DSP，最大可以提供1A的電流?？梢詫?shí)現對IO和核心的分時(shí)復位。有上電復位功能，低壓保護功能，其復位延遲時(shí)間為200ms。有過(guò)熱保護功能。最大功率計算可以用式1計算。

(1)

其中TJMAX是最大允許溫度，根據經(jīng)驗一般TPS767D318為125度左右。TA是環(huán)境溫度。 RθJA是連接阻抗。對于28管腳通常為27.9°C/W。實(shí)際的功耗可由式2計算，其中VI和VO分別為輸入輸出電壓，IO為輸出電流。

(2)

在外圍電壓濾波方面采用多級坦電容（104和220uF）并聯(lián)的方式。這樣的設計可以產(chǎn)生低ESR的效果。根據經(jīng)驗，在頻域，104能極大的濾除高頻干擾，而220uF能夠最佳程度的降低電壓的低頻干擾。

2.2系統主板與傳感模塊

關(guān)于電源，系統采用12V鋰電池供電，采用三端正電壓調節器調節電壓。內部集成功率保護。輸出電流可以達到1A。輸入耐壓可以到達30V。提供充電接口，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，電路板上留有接口,可以對鋰電池進(jìn)行充電。

定位裝置采用射頻技術(shù)（RFID）。RFID已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的技術(shù)。最近沃爾瑪通過(guò)了一項"要求其前100家供應商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤(pán)和包裝箱時(shí)使用RFID技術(shù)，2006年后逐步在單件商品中使用這項技術(shù)"的決議。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。最基本的RFID系統由三部分組成：標簽、閱讀器、天線(xiàn)。按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小于1厘米)、近耦合卡(作用距離小于15厘米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠距離卡(作用距離從1米到10米，甚至更遠)。本系統采用近耦合卡。射頻模塊與2812的SCIA口進(jìn)行通訊。通過(guò)對數據流進(jìn)行解碼，判斷機器人的位置。

接著(zhù)是紅外避障模塊。一般機器人的避障可以采用紅外反射的方法，這在機器人比賽中比較普遍。GPIO控制紅外線(xiàn)的發(fā)射，然后如果遇到障礙物會(huì )反射回來(lái)，接收管子收到光線(xiàn)后引起電阻變化，檢測其電阻變化就可以判斷是否有障礙物了。但是這種方法容易受到光噪聲的干擾。所以距離比較近，一般只能達到2-3cm。本人在多次比賽中，經(jīng)過(guò)查資料和研究，提出了一種使用標準高頻信號38KHZ的紅外線(xiàn)進(jìn)行障礙的探測的電路。因為使用高頻信號和高頻運放，有了一定的抗干擾能力，同時(shí)探測的距離的最大提高到8cm。首先，通過(guò)555發(fā)射紅外線(xiàn)。接著(zhù)，信號通過(guò)紅外接收管后經(jīng)過(guò)隔直電容，送入高頻運放LM318N，如圖4。然后，經(jīng)過(guò)50倍的放大。如圖5和圖6。

圖 1 555發(fā)射電路

圖 2 頻率識別電路

圖 3 檢測放大電路

LM567是鎖相環(huán)電路， 8腳雙列直插封裝。第5、6腳外接的電阻和電容決定了內部壓控振蕩器的中心頻率。1、2腳通常分別通過(guò)一個(gè)電容器接地，產(chǎn)生輸出濾波網(wǎng)絡(luò )和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡(luò )。2腳接的電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。壓控振蕩器的中心頻率和濾波帶寬可由式子3和式子4決定。

(3)

(4) (其中Vi為輸入電壓)

然后是電子羅盤(pán)模塊。CMPS03 電子羅盤(pán)是平面角度傳感器。通過(guò)檢測當前傳感器與地球磁場(chǎng)直接的角度，電子羅盤(pán)可以獲得分辨率為0.1度的絕對旋轉角度。這個(gè)電子羅盤(pán)模塊是專(zhuān)門(mén)為機器人而制造，目的為了給機器人提供合適的方向導航信號。對于任何方向，都可以生成獨一無(wú)二的編碼。該傳感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感應芯片，其精度很高。有兩種輸出方式，第一種：I2C方式，由Pin2(SCL)和Pin3(SDA)輸出。Pin7和Pin5必須懸空。Pin6用來(lái)進(jìn)行校正。這些管腳都接到主板上，由于模塊是5V供電，而DSP是3.3V所以還需要用74LVC245進(jìn)行電平轉換。通過(guò)2812的GPIOB通過(guò)Pin6對系統進(jìn)行校正。校正只需要做一次，因為數據會(huì )保存在電子羅盤(pán)中的PIC單片機的EEPROM。第6腳有一個(gè)上拉電阻。進(jìn)行校正只需要通過(guò)GPIO給Pin6一個(gè)負相脈沖，而且因為有上拉電阻，所以，此管腳與系統斷開(kāi)也是可以的。

最后是系統的驅動(dòng)模塊的設計。采用L298芯片。L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動(dòng)電路。L298內含的功率輸出器件設計制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數一致性，工作穩定。15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個(gè)引腳也可以直接接地。它是高電壓的，高電流的雙全橋驅動(dòng)芯片?？梢灾苯咏邮軜藴实腡TL邏輯電平?？梢则寗?dòng)各種負載如電機，繼電器等。有兩個(gè)使能輸入，通過(guò)它控制PWM波的有效性。L298集成有兩個(gè)能量輸出塊A，B。另外，我們設計的板子上加有續流二極管。

2.3 驅動(dòng)程序設計

通過(guò)編寫(xiě)InitSysCtrl()函數，對看門(mén)狗控制寄存器WDCR進(jìn)行設置，其WDFLAG位是看門(mén)狗復位狀態(tài)位。如果該位置位表示一個(gè)看門(mén)狗復位。向WDDIS位寫(xiě)1會(huì )使看門(mén)狗模塊無(wú)效。寫(xiě)0對看門(mén)狗使能。而對于WDPS位主要是決定看門(mén)狗計數器的時(shí)鐘速率。由于程序中包含有許多循環(huán)，所以對于看門(mén)狗的設置要特別注意。然后通過(guò)設置PLLCR對系統鎖相環(huán)進(jìn)行設置。這時(shí)候要注意，程序需要加入，5000次循環(huán)等待鎖相穩定。這一點(diǎn)在2407里并不是必要的，而針對2812系統要注意這點(diǎn)。然后通過(guò)HISPCP和LOSPCP來(lái)對高速和低速外設來(lái)進(jìn)行匹配。由于在程序中使用了中斷，所以需要對外設中斷擴展PIE進(jìn)行設置。方向傳感器通過(guò)捕獲單元和DSP核心進(jìn)行連接。一次脈沖的捕獲需要兩次中斷，通過(guò)控制和讀取FIFO寄存器來(lái)取出方向的信息的脈沖編碼。另外，紅外避障模塊通過(guò)74LV245模塊，轉換電平后，和中斷管腳進(jìn)行連接。所以要對中斷函數進(jìn)行編程。和RFID傳感器通訊是通過(guò)2812的雙線(xiàn)異步串口。SCI模塊支持CPU與采用非返回至0（non-return-to-zero）(NRZ)標準格式的異步外圍設備之間的數字通信。2812的SCI接收器有一個(gè)16級深度的FIFO，這樣可以減少空頭的服務(wù)。程序通過(guò)判斷TxRDY位來(lái)判斷有沒(méi)有RFID中斷。這樣，可以及時(shí)的發(fā)現機器人是否到了一個(gè)新的位置。然后讀取SCIRXBUF。最后，通過(guò)EV單元設置PWM 脈沖，從而控制機器人的走向。

3 結論以及實(shí)現后的系統

最后，在聯(lián)華超市附近調試整個(gè)系統。經(jīng)過(guò)反復調試，和對程序的修改，實(shí)現了對射頻路徑點(diǎn)的導航。最終系統運行情況如圖6所示：

圖4 機器人在超市的實(shí)際運行