基于DSP的移动机器人设计与实现

　　智能交通系统(ITS)的概念是美国智能交通学会于1990年提出的,它将先进的信息技术、通信技术、自动控制技术、电子技术及计算机处理技术综合运用于整个运输管理系统中,通过对交通信息的采集、传输和处理,对交通运输进行协调和管理,建立起实时、准确、高效的综合交通运输管理体系,从而提高了交通效率和安全了,实现性交通运输服务和管理的智能化。
　　
　　智能车辆的导航与定位、自动驾驶与控制和车辆的预警防碰等智能交通系统关键技术的研究,近年来受到国内外越来
越广泛的关注,也取得了丰硕的成果。但真正的实验研究还是很少,基本上只进行了仿真试验。鉴于理论上的模拟和实际应用情况可能相差甚远,选择了具有智能性、易扩展性和移动性等优点的车型移动机器人作为ITS关键技术的研究平台中的主　要部分——车辆模拟器。
　　
　　本文所阐述的移动机器人SJTNC-1,就是面向ITS提出的。考虑到关键技术研究中需进行大量的计算,如模糊控制、卡尔曼滤波和路径导引等,并且系统对数据的实时性要求很高,所以采用数字信号处理器(DSP)作为移动机器人主控CPU。
　　
　　1 TMS320LF2407A简介

　　TMS320LF2407A(以下简称F2407)是TI公司在TMS320系列DSP的基础上,专为数字电机控制而设计的。除了具有一般DSP的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外,它还采用高性能静态CMOS技术,电压从5V降为3.3V,减少了功耗。并且指令执行速度提高到40MIPS,几乎所有指令都可以在25ns的单周期内完成。如此高的运算速度使其可以通过采用控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高系统的性能。而且,它具有电机控制应用所必需的外设,如:32K片内FLASH、2K单访问RAM、串行外设接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、两个事件管理模块、16通道双10位A/D转换器和CAN控制器模块。
　　
　　2 移动机器人的运动机构
　　
　　考虑到该移动机器人是面向ITS的,所以采用的是车型结构(四轮结构)。前两轮通过减速比为8:1的齿轮减速机构与转向电机进行连接,实现移动机器人的转向功能;后两轮通过减速比为6:1的齿轮减速机构与驱动电机进行连接,实现移动机器人的驱动。电机的选型可根据实际情况选择小型步进电机或小型直流电机。这里选用的是瑞士Minimotor公司生产的直流电机,这种电机具有体积小、转矩大等特点。
　　
　　3 移动机器人控制系统

　　3.1 无线通信模块

　　MC35是德国西门子公司生产的可二次开发的支持GPRS的双频GSM模块,可以通过标准串口与PC机相连。本系统用MC35作为移动机器人与上位机的通信模块。它具有GPRS技术带来的一切优点,如一直在线和提供高速价廉的数据传送服务等。该产品的特性如下:
　　
　　·支持双频:EGSM900/GSM1800
　　
　　·支持GPRS Class8协议
　　
　　·支持数据、语音、短消息和传真服务
　　
　　·采用电路交换方式,传送速率为14.4kbps
　　
　　·支持的电压范围:8V～30V
　　
　　·采用标准工业接口
　　
　　·体积:65mm×74mm×33mm
　　
　　·重量:130g
　　
　　3.2 驱动模块

　　3.3 4转1串口通信模块

　　3.4 定位传感器

　　3.4.1 DGPS接收机

　　3.4.2 数字罗盘和车速传感器

　　采用HoneyWell公司的HMR 3300数字罗盘作为移动机器人的方向检测传感器。其主要技术指标为:(1)1度航向,0.1度分辨率;(2)0.5度重复性;(3)±60度倾斜俯仰范围;(4)15Hz响应时间;(5)-40±85度工作温度;(6)6～15V直流电压。
　　
　　同时采用用于大众汽车公司桑塔纳2000型轿车的霍尔车速传感器作为移动机器人的车速传感器。其工作原理是以霍尔传感器为变换元件,将机械旋转量转化为电脉冲信号输出。主要技术指标为:(1)输出波形为矩形脉冲,占空比为50%;(2)每旋转一周产生6个脉冲;(3)额定电压为12V。
　　
　　4 电源模块

　　电源模块需分别给各传感器、DSP芯片、其它芯片和电机供电。其中,磁罗盘、码盘和DGPS接收机使用12V直流电压,DSP芯片使用3.3V直流电压,其它芯片使用5V直流电压,还有电机电源使用12V直流电压。所以,采用1节12V的直流蓄电池(4AH),直流5V通过ST半导体公司的L7805和扩流用的功率管实现,DSP芯片用3.3V电源采用ON半导体公司的1SMB5913BT3实现。F2407正常工作时,所有电源管脚都为3.3V;写入FLASH存储器时,VCCP引脚为5V供电;复位时,复位电路会产生一个10μs宽度的持续低电平使芯片复位

　　5 控制器程序结构

　　5.1 串口通信模块

　　5.2 路径引导模块

　　5.3 驱动电机和转向电机控制模

　　

参考文献:

[1]. TMS320 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320_1699215.html.
[2]. GPRS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[3]. L7805 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/L7805_1971345.html.
[4]. 1SMB5913BT3 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/1SMB5913BT3_153696.html.