RFID導購機器人導航與控制系統的設計方案研究

　　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。

　　2.1 DSP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。

　　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。

　　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。

　　(其中Vi為輸入電壓)