基于MSP430智能小車(chē)的設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2012-06-08 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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2．2 超聲波模塊
避障是智能 小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最基本的功能，而避障首要是確定機(jī)器人自身與障礙物的距離并且定位。小車(chē)的避障探測(cè)模塊采用SRF08超聲波收發(fā)模塊，其波頻率為40 kHz，檢測(cè)距離范嗣為3 cm～6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設(shè)計(jì)共采用4個(gè)超聲波收發(fā)模塊分別安裝在小車(chē)的正前方，右前方和左前方和后方，4個(gè)模塊分別接在MSP430單片機(jī)的I／OP1．0、I／OP1．1、I／OP1．2、I／OP1．3、I／OP1. 4、I／OP1. 5、I／OP1．6、I／OP1．6端口上，采用I／O觸發(fā)測(cè)距，單片機(jī)給SDA提供25μs高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 Hz方波，并且檢測(cè)是否有返回信號(hào)，若有返回信號(hào)，SCL管腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，從而計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度

(其中T為攝氏溫度)，此時(shí)可得到是否避障的距離為s=vt／2。
2．3 測(cè)溫和電源模塊
為了使計(jì)算的距離更精確而不受溫度影響，該設(shè)計(jì)中加入了DS18B20溫度傳感器接在I／OP4．6上，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人周?chē)h(huán)境的溫度T(T的值要精確到小數(shù)點(diǎn)后3位)，以修正聲速的傳播公式V，從而提高測(cè)距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3．3 V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用12 V電壓，測(cè)速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩(wěn)壓電路。
2．4 語(yǔ)音模塊
語(yǔ)音電路采用ISD2560芯片為核心器件，結(jié)合外圍電路與單片機(jī)接口連接，進(jìn)行分段尋址，分析所測(cè)量數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)出語(yǔ)音元素，包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等語(yǔ)音元素，然后分別錄制好語(yǔ)音元素，把這些信息存儲(chǔ)在ISD2560的存儲(chǔ)器單元內(nèi)，測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件處理后，單片機(jī)發(fā)送語(yǔ)音地址和音控指令，通過(guò)和存儲(chǔ)在ISD2560內(nèi)的地址數(shù)據(jù)匹配，然后由語(yǔ)音電路通過(guò)揚(yáng)聲器播出測(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)果。語(yǔ)音芯片的地址碼接口A4、A5、A6、A7、A8分別接在I／OP2．2、I／OP3．0、I／OP3．1、I／OP3．2、I／OP3．3。
2．5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是智能車(chē)的重要組成部分，它和電機(jī)共同組成智能小車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪是由2個(gè)M1和M2交流永磁同步電機(jī)，因此采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，通過(guò)控制輸入端IN1-IN4信號(hào)，來(lái)控制H橋的通斷，使得電機(jī)形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過(guò)控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制小車(chē)運(yùn)行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機(jī)的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機(jī)之間加入8個(gè)二極管形成續(xù)流達(dá)到保護(hù)的作用，再則為了防止L298N輸出負(fù)載端電機(jī)對(duì)輸入端信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響，以及對(duì)MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號(hào)輸入端通過(guò)連接TLP521可控制的光電電耦合器件，達(dá)到對(duì)L298N信號(hào)輸入前端的信號(hào)電路與負(fù)載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號(hào)干擾。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是方波驅(qū)動(dòng)的交流永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠且便于維護(hù)。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制模塊電路如圖3所示。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/171327.htm

2．6 測(cè)速模塊和PID控制
對(duì)速度的檢測(cè)、調(diào)節(jié)控制能夠保證小車(chē)穩(wěn)定的運(yùn)行，避免小車(chē)在避障時(shí)由于車(chē)速過(guò)高來(lái)不及躲避等問(wèn)題。該設(shè)計(jì)中采用256線光電編碼器作為速度檢測(cè)，2個(gè)編碼器和電機(jī)同軸相連。它直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。在此采用M／T法測(cè)速，單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行10 ms定時(shí)采樣，把采樣所得速度信息與給定的速度信息所得的速度差傳給PID控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的最佳閉環(huán)控制。從而在小車(chē)在前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車(chē)等動(dòng)作能快速響應(yīng)且超調(diào)量小，因此系統(tǒng)采用積分分離的PID控制算法，開(kāi)始取消積分作用，當(dāng)被調(diào)量相差不大時(shí)再引入積分作用，實(shí)現(xiàn)算法的具體步驟如下：
1)根據(jù)實(shí)際情況，人為的設(shè)定一個(gè)值w>0，E(k)=R(k)-H(k)，其中R(k)為給定值，H(k)為測(cè)量值。
2)當(dāng)E(k)>w時(shí)，采用PD控制調(diào)節(jié)，可以避免超調(diào)過(guò)大，還可以使系統(tǒng)有較快的反應(yīng)。
3)當(dāng)E(k)w時(shí)，采用PID控制調(diào)節(jié)，能夠保證系統(tǒng)的控制精度。