基于dsp的履帶機器人避障系統研究-資料下載頁

【導讀】本文設計了基于DSP的履帶式機器人避障系統系統。而尋求出該課題的研究方向；同時介紹了機器人的各種避障控制算法。為實現整個系統的行。走及避障功能要求，對系統控制芯片和車輪驅動電機的類型等進行了選擇。以TMS320F2812DSP為核心控制器，直流電機為主要運動機構的機器人核心部分；搭建了一個基于DSP的機。器人控制平臺，概括了硬件電路設計中所必須考慮的抗干擾措施。程序與必要的寄存器的設置。最后，總結了作者的研究成果，并闡述需要進一步深入研究的工作。

　　

【正文】 原理 18 處理，立即自動封鎖輸出的 4 路 PWM 脈沖及停止運行，防止電機進一步被燒壞。 直流電機測速電路原理 F2812 內部事務管理器 EVA、 EVB 分別有 3 個捕獲單元 CAPx，用于記錄捕 獲輸入引腳上的跳變。電機測速部分由一個霍爾開關和信號放大電路組成。與電機同軸的轉盤上裝有兩塊的強力磁鋼，它們的磁極性相反，以保持轉盤的平衡并保證轉盤每轉一周，霍爾開關只導通一次。霍爾開關平時輸出為正電壓，當轉盤上的磁鋼與霍爾開關正對時，輸入磁感應強度，霍爾開關輸出負電壓，經整形、放大輸出，直接輸入到 DSP 的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現跳變時使能觸發，通過計數定時器對負脈沖計數，得出電機轉速信號，從而計算出電機的轉速。對于 EVA 而言，由于 CAPI～ AP3 用來檢測電機的轉速信號，因此計數時基可以由 EVA 定 時器 2產生 。PWM1~PWM4 用來輸出 4 路 PWM 脈沖給電機，因此可以由 EVA 定時器 1 提供時基。系統測速電路原理圖如圖 所示。其中， 3144 為霍爾開關，整形、放大由 LM358 完成。第一級 358 作為比較器使用，第二級作為電壓跟隨器，輸出為數字電壓負脈沖。 圖 系統測速電路原理圖 電流采樣電路 TMS320F2812 中的 ADC 轉換器是一個帶有 16 通道的 12 位擻數轉換器，可配置為兩個獨立的 8 通道模塊，方便為 EVA 和 EVB 服務。 ADC 以任務為單位進行轉換，在一個任務中轉換的通道通過兩個排序 控制散 SEQI 和 SEQ2)選擇，轉換結果保存在 16 個結果寄存 器（ ADCRESULT0～ ADCRESULT15） 中， DSP 可以單獨訪問結果寄存器。對于采用 PWM 調制波控制的電機系統，在采用電流信號中會含有脈動成分，需要對電流檢測信號進行濾波，硬件濾波器常見的是由 RC 電路構成的低通濾波器。在該系統中，采用一個旁路電阻對電機電流進行采樣，電流采樣電路原理圖如下圖所示。其中輸入端是來自采樣電阻的壓降信號。將檢測到的信號，經過阻容低通濾波、電壓跟隨器及放大環節 (運算放大器選用 UM358)，反饋到 ADC 的輸入引基于 DSP 的履帶機器人避障系統研究 第二章 系統硬件原理 19 腳 ADCSOC， DSP 內部的 ADC 轉換器將模擬信號轉換為數字信號，并在 DSP 內部進行處理。因為 ADC 接口只能接受壓 電壓，所以在電路的電壓放大環節后面增加了正負限幅電路，主回路電流的檢測由霍爾元件完成。 圖 系統電流采樣電流原理圖 硬件系統抗干擾技術 系統的可靠性是由多種因素決定的，其中系統的抗干擾性能是系統可靠性的重要指標。如果抗干擾性不好，將引起諸如測量數據精度不夠、所測數據值不穩定、系統電壓偏移無法正常工作以及可能導致系統軟件無法運行等問題，甚至還會造成元件損壞。 為了減小系統在特定 的環境中受到的電磁干擾，保證系統的穩定運行，應從以下幾個方面進行抗干擾設計。 電源的抗干擾設計 控制電源的穩定性對控制電路的穩定性至關重要。本研究課題的控制電路有多種電源類型 ： +24V 模擬信號電源 ； +5V 數字信號電源 ； +、 + 控制器供電電壓 ； +15V 運放電路供電電源。任何電源及輸電線路都存在內阻，正是這些內阻才引起了電源的噪聲干擾。同時為了消除各支路電流流經公共地線時所產生的噪聲電壓，避免受磁場和地電位差的影響，為此，控制電路的電源設計中應當采取了以下措施 ： （ 1） 強電部分與弱電部 分分開布置，自成系統，中間使用高速數字光禍隔離 。 （ 2） 在系統的弱電部分將模擬地、數字地、電源地等分開，并使用較多的接地線以減小或者消除各個模塊間存在的地線電位差，最后才在一點將它們連接。避免模擬電路中的干擾信號竄入數字電路。 （ 3） 對于 F2812，采用 DC/DC 模塊電源單獨供電，減小主電路對 DSP 的影響。 基于 DSP 的履帶機器人避障系統研究 第二章 系統硬件原理 20 （ 4） 對模擬信號的采樣采用高速、精密線性光藕隔離。 （ 5） 電源部分并聯多只 ，濾除從電源傳入的干擾，對同一芯片盡量減小電源線與地線的距離。 （ 6） 集成器件的電源輸入端就近使用禍合電容，防止電源層電平擾動。 （ 7） 電源線的布置除了要根據電流的大小，盡量加粗導體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數據傳遞的方向一致，將有助于增強抗噪聲能力。 PCB 的抗干擾設計 在控制電路的印刷電路板 (PCB)上模擬、數字、放大電路等不同電路之間存在相互的電磁干擾。同時，印制線的電感成分產生的噪聲電壓也不容忽視。通過 PCB線路的合理設計可以有效地抑制電磁干擾，提高系統的可靠性。本文控制電路 PCB的線路設計遵循以下原則 ： （ 1） 根據電路功能要求，按功率大小、信 號強弱與性質等因素，進行分區布置，盡可能將強弱電信號分開，將數、模信號電路分開，完成同一功能的電路應盡量按電路工作順序排列，安排在一定的范圍內，從而縮短引線并減小信號環路面積 ； （ 2） 各部分電路的濾波網絡必須就近連接，以減小輻射和被干擾的幾率，提高電路的抗干擾能力 ； （ 3） 使電源線、地線的走向和數據傳遞的方向一致 ； （ 4） 所布信號線應盡可能短，并盡量減少過孔數目，同時，信號線應盡量靠近地線，信號線之間布局垂直，并遠離大電流信號線及電源線 ； （ 5） 各模塊之間最好能以地線進行隔離，防止相互之間的信號禍合效應 ； （ 6） 不相容的信號線應盡量相互遠離，而且盡量避免平行走線， PCB 正反兩面的信號線應相互垂直。 本章小結 本章介紹了設計所用到的硬件部分的性能和特點。履帶式移動機器人的控制系統主要包括：控制芯片 DSP，變壓器，電機和電機的驅動電源等控制部件。其中，控制芯片 TMS320F2812，是一個高性能的 DSP 內核和其片內外圍設備集成的一個芯片，有著很好的控制精度，能很好地實現對機人路徑的實時控制。 基于 DSP 的履帶機器人避障系統研究 第三章 避障方法設計 21 第三章 履帶機器人 避障 方法設計 履帶機器人避障控制的總體框圖 圖 硬件控制總體框圖 首先履帶機器人在馬達的驅動下，左右履帶分別產生 速度 1v ， 2v 之后履帶機器人的位置 (, )xy 可由跟蹤定位系統測定，方向角 ? 可由磁通門羅盤測定。將測得的數據與預定路徑進行比較，得到當前履帶機器人與預定路徑的位置偏差 e 以及方向角偏差? ， 再將得到的偏差數據用路徑跟蹤算法進行處理，即可得到當前期望的左右履帶的行駛速度，通過安裝在履帶中上部的速度傳感器可測得當前履帶的實際速度，將期望速度與實際速度進行比較，并將速度偏差轉換為相應的控制 電機驅動信號 ， 調整兩根履帶行駛速度，從而實現對履帶機器人行走軌跡的控制。 由圖 可知，外層是根據給定目標點的位置和障礙物情況 ,在宏觀上對履帶機器人的行走路徑進行合理規劃。同時不斷接收定位系統測量的履帶機器人的實際位置 ,對履帶機器人行走方向 和速度進行調整。故外層屬于 履帶機器人 導航部分。外層輸出 履帶機器人 的行走速度和方位角給中間層 ,中間層輸出集礦機左右履帶的速度給內層 ,由內層直接調節比例閥 ,控制 馬達的轉速 ,從而實現 履帶機器人 的自行走控制。 履帶機器人 運動學模型 履帶機器人 為履帶車輛，其運動學模型可按履帶車輛的運動學模型表述。考慮履帶機器人 在水平面轉向時的運動模型，該模型是二維模型。當不考慮履帶的滑移時， 假設履帶機器人向右轉，則 外側履帶的速度 1v 和內側履帶的速度 2v 分別是： 11vr?? 公式 （ ） 22vr?? 公式 （ ） 式中， r －主動輪半徑 （ m） 2? －內側 （ 轉彎側 ） 主動輪的角速度 （ m/s） 被控 對 象 定位系統 路線 比較 控制 算法 預定路徑 左履帶驅動 右履帶驅動 左履帶速度 1v 右履帶速度 2v ? ?,xy e ? 電機驅動 電機驅動 磁通門羅盤 基于 DSP 的履帶機器人避障系統研究 第三章 避障方法設計 22 1? －外側主動輪的角速度 （ m/s） 當考慮到履帶的滑移 1i ， 2i 時，則上面兩式應改寫為： 1 1 1(1 )v r i??? 公式 （ ） 2 2 2(1 )v r i??? 公式 （ ） 履帶機器人 速度與內外履帶速度的關系為： 122vvv ?? 公式 （ ） 履帶機器人 轉向的角速度與內外履帶速度的關系為： . 12vvB? ?? 公式 （ ） 式中， B為履帶中心距 （ m） 。 由式 （ ） 和式 （ ） 可得： 1 /2v v B??? 公式 （ ） 2 /2v v B??? 公式 （ ） 將車體速度分解，并分別求積分，可得 履帶機器人 質心的位置是： ?? dtttvx )(c o s)( ? 公式 （ ） ?? dtttvy )(s in)( ? 公式 （ ） 履帶機器人 的方向角為： dt???? 公式 （ ） 式 （ ） ~（ ） 稱為 履帶機器人 的運動學模型。 履帶機器人的環境建模 在履帶機器人距離地面 0. 28m的同一水平 150176。圓弧上安裝了 7個聲納傳感器，每個傳感器波束角為 30176。，有效測量范圍為 ~，每兩個傳感器間隔角為 23176。，用以 覆蓋履帶機器人機器人周圍約 180176。的空間。假定安裝在履帶機器人上的某一傳感器的探測值為 r，根據超聲波傳感器的聲場特性和測距原理，障礙物上距離傳感器最近的一點發生超聲波反射，此點應該處在一段圓弧上，此圓弧半徑為 r，角度為波束角。由于超聲波的方向分辨率低，無法確定此點在此段弧的具體哪一點。事實上，從導航和避障的角度來看，并不需要知道障礙物的精確位置，只要知道障礙物在環境中的大概分布情況就可以實現機器人導航和避障。因此采用概率方法 DS 理論描述障礙物分布。為了簡化計算，用弧對應的弦近似代替弧。設在超聲波返回的距離處，傳感器波束角對應的弧長范圍內存在障礙的概率呈均勻分布，且概率總和為 1，基于 DSP 的履帶機器人避障系統研究 第三章 避障方法設計 23 某一超聲傳感器在某一時刻對環境進行探測，第 (i, j)個柵格有三種可能狀態，即存在障礙物 (full)、不存在障礙物 (empty)或不確定，如圖 所示。 rβ柵 格障 礙 物傳 感 器 傳感器 則定義在超聲波返回的距離處，傳感器波束角對應的弦上第 ( i , j) 個柵格存在障礙物的基本概率賦值為： ( , )2 ( )F wP i j r tg?? 公式（ ） 其中， r為傳感器探測到障礙物的距離， ? 為波束角的一半，不存在障礙物的基本概率賦值為： ( , ) 0EP i j ? 公式（ ） 而對于傳感器波束角內的其它柵格，顯然不存在障礙物，則 (, ) 0FP i j? 公式（ ） (, ) 1EP i j?