輪式遙控機器人導航系統電路設計攻略 —電路圖天天讀（166）

　　輪式遙控機器人已經(jīng)應用在地震、火災等一些危險的室內區域進(jìn)行救援和探測，或執行反恐任務(wù)。由并且近年來(lái)MEMS（微機電系統）結構的慣性傳感器隨半導體技術(shù)的進(jìn)步得到了迅速發(fā)展，使其低成本而高精度的期望得到了實(shí)現。MEMS慣性傳感器組成的慣性導航裝置結合輪式小車(chē)的里程計，能夠產(chǎn)生導航和定位信息，減少對外部環(huán)境的倚賴(lài)，實(shí)現在外部環(huán)境條件（例如光照、墻壁材質(zhì)）未知情況下的導航，因此本項目采用了具有強大數字信號處理功能的DSP 28335芯片和PC控制終端，實(shí)現慣性傳感器的數據采集、時(shí)序邏輯控制、與驅動(dòng)系統通信和地圖顯示功能， 具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文將選用低成本的MEMS器件，結合DSP和卡爾曼濾波算法，能實(shí)現較高精度的輪式小車(chē)導航和定位。

　　系統體系架構

　　本文的目標是研制一個(gè)輪式小車(chē)慣性導航系統，能夠通過(guò)wifi實(shí)現PC終端和手持終端控制輪式小車(chē)行動(dòng)以及小車(chē)所采集數據的傳輸。搭建如下圖1所示的系統，TI公司的浮點(diǎn)DSP TMS320F28335芯片作為主數字信號處理器，采集各MEMS慣性傳感器的信號并處理，處理結果通過(guò)WIFI將數據輸送到PC終端;PC終端負責顯示定位結果和地圖顯示，并向小車(chē)驅動(dòng)系統發(fā)送控制命令，同時(shí)接收驅動(dòng)系統反饋的里程計信息。

　　圖1 總體架構

　　硬件設計上，主要分為核心板和驅動(dòng)板。核心板包括DSP最小系統，JTAG下載口設計，系統電源供給電路和MEMS傳感器，WIFI模塊等。而驅動(dòng)板主要設計的內容是直流大電機的驅動(dòng)模塊。TMS320F28335工作時(shí)需要的電壓不同：內核電壓（1.9 V）與I/O供電電壓（3.3 V），對于電源比較敏感，所以電源部分利用兩路輸出電源器件TPS767D318來(lái)實(shí)現，如圖2所示。同時(shí)根據仿真實(shí)驗和實(shí)際焊接電路的測試，電源模塊輸出端最好使用一些容值不小于10uf的保護電容，且不能使用貼片電容，否則工作不穩定。

　　圖2 DSP電源設計

　　在電源設計中，考慮到TPS767D318芯片可以產(chǎn)生復位信號，所以在核心板上并沒(méi)有再另外為DSP設計復位電路。

　　TAG下載口電路設計

　　圖3為JTAG電路，按照仿真器的通信引腳選擇14腳的仿真接口，同時(shí)要注意EMU0和EMUl信號必須通過(guò)上拉電阻連接至電源，其中上拉電阻為10kΩ。

　　圖3 JTAG電路設計

　　車(chē)驅動(dòng)板設計

　　在本裝置中，我們采用BTS7960作為直流電機驅動(dòng)芯片。BTS7960是集成的大電流半橋驅動(dòng)，其內部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半橋門(mén)集驅動(dòng)，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj = 25 °C 時(shí)，其內阻抗為17mΩ。裝置采用了兩個(gè)直流大電機，如圖4所示為驅動(dòng)單個(gè)電機前后轉向的電路圖。

　　圖4 驅動(dòng)模塊電路設計

　　在電機驅動(dòng)這里，需要注意一個(gè)細節，就是電機在轉動(dòng)過(guò)程中有可能會(huì )產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢，使電流一瞬間過(guò)大，導致單片機復位甚至有可能燒壞芯片。因此在設計過(guò)程中，可以考慮在單片機PWM輸入到電機驅動(dòng)接口的地方添加光耦器件隔離或者二極管。如圖5所示，驅動(dòng)板選擇了tlp521-4這種光耦器件設計隔離電路，減小電壓的干擾，減化電路的設計，同時(shí)也把四路PWM的I/O電平從3.3上拉到5V。

　　圖5 TLP521隔離電路

　　在軟件程序設計上，主要應用九自由度慣性導航傳感器（ITG3200+ADXL345+HMC5883L ），結合DSP和卡爾曼濾波算法，能實(shí)現較高精度的輪式小車(chē)導航和定位。本文所設計的輪式小車(chē)室內慣性導航裝置，分析了該軟件設計的各個(gè)模塊的具體實(shí)現方法。經(jīng)實(shí)驗結果表明，該設計能夠實(shí)時(shí)監測到移動(dòng)機器人的位置信息，并對其能實(shí)現有效控制。同時(shí)其低成本、高精度、易操作的特點(diǎn)將進(jìn)一步應用于例如巡邏機器人、救援機器人等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，必將吸引國內外眾多的投資商對其投資并進(jìn)行更進(jìn)一步的研發(fā)與應用，使其有著(zhù)十分廣大的創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)前景、應用前景和市場(chǎng)前景。