基于教育機(jī)器人硬件平臺(tái)的智能小車設(shè)計(jì)

智能機(jī)器人作為一個(gè)高新科技的綜合體，直接反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家信息技術(shù)的發(fā)展水平，受到了社會(huì)各界的高度重視。智能機(jī)器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所用內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，并且智能機(jī)器人是信息技術(shù)的開放平臺(tái)，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的開發(fā)能力，在開發(fā)過程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

本文設(shè)計(jì)的以智能小車為載體的基于TMS320LF2407A教育機(jī)器人硬件平臺(tái)，包括電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)，并集成了紅外和光敏傳感器和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)尋跡、避障及尋跡避障相結(jié)合的功能，達(dá)到了理論課程學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的目的，鞏固了知識(shí)并進(jìn)一步提高了學(xué)習(xí)者的興趣。

1 設(shè)計(jì)思想與總體方案

1.1 教育機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想

本教育機(jī)器人以TMS320LF2407A微控制器為核心，由紅外傳感器和光電傳感器等各種傳感器采集的外部環(huán)境信息作為輸入信號(hào)，通過DSP進(jìn)行運(yùn)算處理，利用PWM技術(shù)實(shí)時(shí)輸出調(diào)整小車的速度和方向，實(shí)現(xiàn)小車尋跡、避障、尋跡加避障等自動(dòng)控制的功能，另外在小車于尋跡過

程中遇到障礙物，當(dāng)尋跡加避障算法在尋跡的同時(shí)不能完成避障功能時(shí)，可由PC機(jī)與其相連的無線通信收發(fā)模塊和DSP相連的另一無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無線短距離通信，控制小車脫離障礙區(qū)并進(jìn)行正常尋跡。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案和框圖

機(jī)器人小車系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要有TMS320LF2407A最小系統(tǒng)部分、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)由車載的各種傳感器將信息不斷地傳遞給車載微控制器，并將編程設(shè)計(jì)算法下載至微控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，完成一定的功能要求。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 TMS320LF2407A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A是2000系列中目前應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品，它在片上不僅具有一個(gè)適于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的高效處理器，而且還集成了存儲(chǔ)器和適應(yīng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的豐富片上外設(shè)，從而構(gòu)成了一個(gè)基本的片上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。除了具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)外，它還采用高性能靜態(tài) CMOS技術(shù)，電壓降為3.3V,減少了功耗，指令執(zhí)行速度提高到40MIPS,幾乎所有指令都可以在2 5ns的單周期內(nèi)完成。TMS320LF2407A的基本結(jié)構(gòu)包括中央處理器單元(CPU)、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)與專用硬件電路三個(gè)組成部分。本系統(tǒng)硬件平臺(tái)充分利用TMS320LF2407A控制器的特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為基本電路和擴(kuò)展控制電路部分。基本電路包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、A/D 輸入通道和JTAG仿真電路等。擴(kuò)展電路包括存儲(chǔ)器及譯碼電路、串行通信SCI與RS-232接口電路、CAN接口電路、SPI功能模塊等。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

此部分采用光電傳感器對(duì)路面信息進(jìn)行識(shí)別。采用RPR220型光電對(duì)管，RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收管是一個(gè)高靈敏度的硅平面光電三極管，用3個(gè)該紅外對(duì)管構(gòu)成“一”字形排列在小車車頭的底部，路徑軌跡由黑線指示，根據(jù)落在黑線區(qū)域的光電三極管接收到的反射光線強(qiáng)度與白色區(qū)域的不同，由檢測(cè)到的黑線光電管的位置來判斷小車的位置方向看其是否偏離黑線，當(dāng)紅外對(duì)管的發(fā)射二極管發(fā)出紅外線，經(jīng)反射物 (白線)反射到接收管，是接收管集電極與發(fā)射極之間的電阻變小，輸入端電位變低，經(jīng)比較器比較后輸出低電平，當(dāng)紅外線照射到黑線上時(shí)，反射到接收管上的光亮減小，接收管的集電極與發(fā)射極間電阻增大使得輸出高電平，將輸出端信號(hào)送至2407A進(jìn)行分析處理，反射式光電傳感器原理如圖3所示。3個(gè)傳感器中如果位于中間的傳感器(中傳感器)檢測(cè)到黑線，從傳感器將發(fā)出“有線”信號(hào)，后輪兩電機(jī)繼續(xù)接通運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)果驅(qū)動(dòng)車體前進(jìn)。如果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個(gè)未檢測(cè)到黑線，則該傳感器輸出“無線”信號(hào)，這時(shí)脫離引導(dǎo)線的傳感器對(duì)側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，同側(cè)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，以此達(dá)到校正行進(jìn)方向的目的。

2.3 紅外避障模塊設(shè)計(jì)

在小車行進(jìn)過程中遇到障礙物，無法正常通過時(shí)，采用紅外線檢測(cè)器檢測(cè)障礙物，并設(shè)計(jì)算法控制小車?yán)@開障礙物繼續(xù)尋跡前進(jìn)。在小車前端兩側(cè)分別安裝1個(gè)紅外發(fā)射二極管(如東芝TLN110)進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射，紅外線光源發(fā)出的信號(hào)調(diào)制到38kHz,使用2407A的PWM輸出產(chǎn)生精確的信號(hào)。紅外接收器由安裝在車頭中央的專用紅外接收模塊(如CRVPl738)對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行接收。小車前進(jìn)路線中障礙物的判斷原則：a.左邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)中央接收端，判斷是否接收到信號(hào);b.右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號(hào)，檢測(cè)中央接收端，判斷是否接收到信號(hào);c.若左邊發(fā)射時(shí)，有信號(hào)接收則小車左邊有障礙物;若右邊發(fā)射時(shí)，有信號(hào)接收則小車右邊有障礙物;若左邊和右邊發(fā)射時(shí)，都有信號(hào)接收則小車正前方有障礙物。

在小車前進(jìn)過程中有三種避障算法：沿左邊行走，沿右邊行走，左右相結(jié)合行走。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)在多種環(huán)境下都能避障，所以選擇左右結(jié)合行走的算法。在小車左、右側(cè)兩側(cè)等比例安裝若干紅外測(cè)距傳感器(GP2D12)，用于防止小車在避障過程中與障礙物發(fā)生碰撞，由于GP2-D12輸出為0.4~2.4V的模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)80~10cm距離，輸出與距離成反比關(guān)系，且為非線性，可直接利用2407A集成的A/D轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)由 DSP進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)行避障前進(jìn)。在避障過程中，采用接近式控制策略，維持障礙物和傳感器之間的距離為一固定常數(shù)，當(dāng)兩者距離偏小時(shí)，機(jī)器人向遠(yuǎn)離障礙物的方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)兩者距離偏大時(shí)，向靠近障礙物的方向旋轉(zhuǎn)。小車沿障礙物行進(jìn)過程中，在車頭底部光電傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，小車開始調(diào)整行進(jìn)姿勢(shì)，遠(yuǎn)離障礙物，繼續(xù)尋跡。另外在小車無法成功繞過障礙物繼續(xù)尋跡時(shí)，可以通過無線通信模塊控制小車?yán)@過障礙物使其繼續(xù)尋跡。