基于DSP的移動機器人的設計與實現

基于DSP的移動機器人的設計與實現
上海交通大學電子信息學院(200030) 王洪升 田蔚風 金志華
杭州浙江科技學院教育技術學系(310021) 陳以蒙
 
　　摘　要：智能交通系統是21世紀城市交通的發展方向,移動機器人作為智能車輛控制系統實驗平臺的一個主要部分,對智能交通系統的關鍵技術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現。
　　關鍵詞：智能交通系統 移動機器人 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會于1990年提出的,它將先進的信息技術、通信技術、自動控制技術、電子技術及計算機處理技術綜合運用于整個運輸管理系統中,通過對交通信息的采集、傳輸和處理,對交通運輸進行協調和管理,建立起實時、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,實現性交通運輸服務和管理的智能化。
　　智能車輛的導航與定位、自動駕駛與控制和車輛的預警防碰等智能交通系統關鍵技術的研究,近年來受到國內外越來越廣泛的關注,也取得了豐碩的成果。但真正的實驗研究還是很少,基本上只進行了仿真試驗。鑒于理論上的模擬和實際應用情況可能相差甚遠,選擇了具有智能性、易擴展性和移動性等優點的車型移動機器人作為ITS關鍵技術的研究平臺中的主要部分——車輛模擬器。
　　本文所闡述的移動機器人SJTNC-1,就是面向ITS提出的。考慮到關鍵技術研究中需進行大量的計算,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時性要求很高,所以采用數字信號處理器(DSP)作為移動機器人主控CPU。

1 TMS320LF2407A簡介
　　TMS320LF2407A(以下簡稱F2407)是TI公司在TMS320系列DSP的基礎上,專為數字電機控制而設計的。除了具有一般DSP的改進的哈佛結構、多總線結構和流水線結構等優點外,它還采用高性能靜態CMOS技術,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采用高級控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波以及狀態控制等來提高系統的性能。而且,它具有電機控制應用所必需的外設,如:32K片內FLASH、2K單訪問RAM、串行外設接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、兩個事件管理模塊、16通道雙10位A/D轉換器和CAN控制器模塊。

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

3 移動機器人控制系統
　　控制系統以控制器F2407為核心,由無線通信、電機驅動、速度傳感器、數字羅盤、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。無線通信模塊根據自行約定的通信協議接收上位機的規劃好的路徑信息,整個控制系統通過控制驅動電機和轉向電機使移動機器人跟蹤該路徑行駛。電機采用PWM調速方式,其中驅動電機采用雙閉環(速度和電流)PID控制策略,而轉向電機則通過把數字羅盤的航向信息作為轉向的反饋量進行PID控制。整個控制系統把DGPS接收機的位置信息作為系統的位置反饋信息,用以完成整個系統的位置閉環控制。

3.1 無線通信模塊
　　MC35是德國西門子公司生產的可二次開發的支持GPRS的雙頻GSM模塊,可以通過標準串口與PC機相連。本系統用MC35作為移動機器人與上位機的通信模塊。它具有GPRS技術帶來的一切優點,如一直在線和提供高速價廉的數據傳送服務等。該產品的特性如下: