基于DSP TMS320LF2407A的移动机器人设计与实现

时间：2011-06-10

　　机器人技术融合丁机械、电于、传感器、计算机、人工智能等许多学科理论与技术，是当今许多前沿领域技术综合体。移动型机器人主要用于对一些危险和未知地域进行探索，例如是探索外星地表、进行引爆地雷等都需要使用到移动型机器人。智能交通系统（ITS）是21世纪城市交通的发展方向，移动机器人作为智能车辆控制系统实验平台的一个主要部分，对智能交通系统的关键技术的研究具有十分重要的意义。本文介绍了面向智能交通系统的SJTNC-1移动机器人的组成和结构，并详细叙述了基于数字信号处理器TMS320LF2407A的控制系统的设计和实现。

　　1 TMS320LF2407A简介

　　TI公司TMS320LF2407A芯片具有改进哈佛结构体系，采用了流水线技术等优点，而且采用了高性能静态CMOS／技术，把芯片运行电压降低到3.3V，大大减少了芯片功耗。其CPU具有很高酌处理速度，频率可以达到40 MHz，很多复杂算法在系统控制中得以实施。此外，它还集成了32 KB闪存、16个脉宽调制（PWM）通道、1个CAN模块，以及1个超高速500 ns10位模数转换器（ADC）等功能强大外设。

　　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。这里选用的是瑞土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

　　控制系统以控制器F2407为，由无线通信、电机驱动、速度传感器、数字罗盘、差分GPS(DGPS)接收机和4转1串口通信模块等组成，如图1所示。无线通信模块根据自行约定的通信协议接收上位机的规划好的路径信息，整个控制系统通过控制驱动电机和转向电机使移动机器人跟踪该路径行驶。电机采用PWM调速方式，其中驱动电机采用双闭环(速度和电流)PID控制策略，而转向电机则通过把数字罗盘的航向信息作为转向的反馈量进行PID控制。整个控制系统把DGPS接收机的位置信息作为系统的位置反馈信息，用以完成整个系统的位置闭环控制。

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：65mmx74mmx33mm

　　·重量：130g

　　3.2 驱动模块

　　驱动电机和转向电机的驱动原理相同，都采用脉宽调制(PWM)方式进行调速，PWM信号由F2407产生。驱动电路采用H全桥方式，由4个达林顿管(2个TIPl32和2个TIPl37)、4个IN4001二极管及与非门组成。电路原理图如图2所示。当PWM2、PWM4为低电平而PWMl、PWM3为高电平时，T1、T4饱和导通，T2、T3截止，电流从T1→电机→T4，电机正转；反之，当PWMl、PWM3为低电平而PWM2、PWM4为高电平时，T2、T3饱和导通，T1、T4截止，电流从T2→电机→T3，电机反转。
为防止T1、T3或T2、T4同时导通，形成短路而击穿器件，要用一对无重叠的PWM输出去正确地开启和关断这两对管子。在一个管子关断和另一个管子开启之间加入死区时间，这样就使得一个管子开启前，另一个管子已完全关断。F2407具有死区控制单元是其一大特色，从而可用软件确保功率电路上下桥臂开关元件的开通区间没有重叠，简化了硬件电路设计，提高了可靠性。

电路原理

　　3.3 4转1串口通信模块

　　由于DGPS接收机、磁罗盘、里程计和MC35通信模块都采用RS-232异步串行通信，而F2407只有一个串行口，所以必须将4个串口数据通过转换处理来完成与F2407的串口通信。为此研制了基于分时复用方法的4转1串口通信模块。当F2407需要某个传感器(或无线通信模块)的数据时，就通过电路选通该传感器占用F2407串口进行通信；当需要另外传感器或无线通信模块数据时，则关断上次传感器的选通，同时选通该次传感器或无线通信模块。4转1串口通信模块由3-8译码器74LSl38、三态输出的四总线缓冲门74LSl25和电平转换器MAX232等组成，其电路原理图如图3所示。

4转1串口通信模块

　　3.4 定位传感器

　　3.4.1 DGPS接收机

　　CPS(定位系统)是基于卫星的无线电导航系统，它提供一种廉价实用的可在范围内确定位置、速度和时间的工具。CPS由24颗卫星(21颗工作星、3颗备份星)组成星座，星座分布在与地球赤道面倾角为55°的6个轨道面上，其运行周期为11小时58分，轨道半径为20200km，各轨道面夹角，为60°。这样的分布特点保证了用户在地球上任何地点、任何时间至少可以连续地收到4颗以上卫星的导航信号，从而联立解算出接收机的三维坐标以及接收机和GPS间的时间偏移。三维坐标采用ECEF笛卡儿坐标系或大地坐标系如WGS84。

　　单基站DGPS(SRDGPS)系统，其结构框图如图4所示。基准站由ALLSTAR BASE GPS接收机、天线和MDS无线电发射台、天线组成，流动站由SUPERSTAR GPS接收机、天线和MDX无线电接收台、天线组成。其中基准站安装在上海交大徐家汇校区教学一楼楼顶，该基准站能覆盖方圆30公里的范围，流动站安装在车载单元上。

单基站DGPS

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。

　　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：(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

　　DSP程序由五大功能模块组成，分别为系统初始化模块、串口通信模块、路径引导模块、驱动电机控制模块和转向电机控制模块。TI公司提供了用于C语言开发的CC和CCS平台。为了充分利用芯片的资源，更好地发挥C语言和汇编语言进行软件开发的各自优点，采用混合编程方法将两者有机结合起来，兼顾两者的优点，避免其弊端。系统的框架如图5所示。下面对关键的几大模块进行简要的阐述。

控制器程序结构