基于DSP的移動(dòng)機器人的設計與實(shí)現

基于DSP的移動(dòng)機器人的設計與實(shí)現
上海交通大學(xué)電子信息學(xué)院(200030) 王洪升 田蔚風(fēng) 金志華
杭州浙江科技學(xué)院教育技術(shù)學(xué)系(310021) 陳以蒙
 
　　摘　要：智能交通系統是21世紀城市交通的發(fā)展方向,移動(dòng)機器人作為智能車(chē)輛控制系統實(shí)驗平臺的一個(gè)主要部分,對智能交通系統的關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的意義。介紹了面向智能交通系統的SJTNC-1移動(dòng)機器人的組成和結構,并詳細敘述了基于數字信號處理器TMS320LF2407A的控制系統的設計和實(shí)現。
　　關(guān)鍵詞：智能交通系統 移動(dòng)機器人 數字信號處理器

　　智能交通系統(ITS)的概念是美國智能交通學(xué)會(huì )于1990年提出的,它將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)及計算機處理技術(shù)綜合運用于整個(gè)運輸管理系統中,通過(guò)對交通信息的采集、傳輸和處理,對交通運輸進(jìn)行協(xié)調和管理,建立起實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合交通運輸管理體系,從而提高了交通效率和安全了,實(shí)現性交通運輸服務(wù)和管理的智能化。
　　智能車(chē)輛的導航與定位、自動(dòng)駕駛與控制和車(chē)輛的預警防碰等智能交通系統關(guān)鍵技術(shù)的研究,近年來(lái)受到國內外越來(lái)越廣泛的關(guān)注,也取得了豐碩的成果。但真正的實(shí)驗研究還是很少,基本上只進(jìn)行了仿真試驗。鑒于理論上的模擬和實(shí)際應用情況可能相差甚遠,選擇了具有智能性、易擴展性和移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)的車(chē)型移動(dòng)機器人作為ITS關(guān)鍵技術(shù)的研究平臺中的主要部分——車(chē)輛模擬器。
　　本文所闡述的移動(dòng)機器人SJTNC-1,就是面向ITS提出的?？紤]到關(guān)鍵技術(shù)研究中需進(jìn)行大量的計算,如模糊控制、卡爾曼濾波和路徑導引等,并且系統對數據的實(shí)時(shí)性要求很高,所以采用數字信號處理器(DSP)作為移動(dòng)機器人主控CPU。

1 TMS320LF2407A簡(jiǎn)介
　　TMS320LF2407A(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F2407)是TI公司在TMS320系列DSP的基礎上,專(zhuān)為數字電機控制而設計的。除了具有一般DSP的改進(jìn)的哈佛結構、多總線(xiàn)結構和流水線(xiàn)結構等優(yōu)點(diǎn)外,它還采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù),電壓從5V降為3.3V,減少了功耗。并且指令執行速度提高到40MIPS,幾乎所有指令都可以在25ns的單周期內完成。如此高的運算速度使其可以通過(guò)采用高級控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波以及狀態(tài)控制等來(lái)提高系統的性能。而且,它具有電機控制應用所必需的外設,如:32K片內FLASH、2K單訪(fǎng)問(wèn)RAM、串行外設接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、兩個(gè)事件管理模塊、16通道雙10位A/D轉換器和CAN控制器模塊。

2 移動(dòng)機器人的運動(dòng)機構
　　考慮到該移動(dòng)機器人是面向ITS的,所以采用的是車(chē)型結構(四輪結構)。前兩輪通過(guò)減速比為8:1的齒輪減速機構與轉向電機進(jìn)行連接,實(shí)現移動(dòng)機器人的轉向功能;后兩輪通過(guò)減速比為6:1的齒輪減速機構與驅動(dòng)電機進(jìn)行連接,實(shí)現移動(dòng)機器人的驅動(dòng)。電機的選型可根據實(shí)際情況選擇小型步進(jìn)電機或小型直流電機。這里選用的是瑞士Minimotor公司生產(chǎn)的直流電機,這種電機具有體積小、轉矩大等特點(diǎn)。

3 移動(dòng)機器人控制系統
　　控制系統以控制器F2407為核心,由無(wú)線(xiàn)通信、電機驅動(dòng)、速度傳感器、數字羅盤(pán)、差分GPS(DGPS)接收機和4轉1串口通信模塊等組成,如圖1所示。無(wú)線(xiàn)通信模塊根據自行約定的通信協(xié)議接收上位機的規劃好的路徑信息,整個(gè)控制系統通過(guò)控制驅動(dòng)電機和轉向電機使移動(dòng)機器人跟蹤該路徑行駛。電機采用PWM調速方式,其中驅動(dòng)電機采用雙閉環(huán)(速度和電流)PID控制策略,而轉向電機則通過(guò)把數字羅盤(pán)的航向信息作為轉向的反饋量進(jìn)行PID控制。整個(gè)控制系統把DGPS接收機的位置信息作為系統的位置反饋信息,用以完成整個(gè)系統的位置閉環(huán)控制。

3.1 無(wú)線(xiàn)通信模塊
　　MC35是德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的可二次開(kāi)發(fā)的支持GPRS的雙頻GSM模塊,可以通過(guò)標準串口與PC機相連。本系統用MC35作為移動(dòng)機器人與上位機的通信模塊。它具有GPRS技術(shù)帶來(lái)的一切優(yōu)點(diǎn),如一直在線(xiàn)和提供高速價(jià)廉的數據傳送服務(wù)等。該產(chǎn)品的特性如下: