基于TMS32OLF2407A的教育機器人硬件系統(tǒng)設計

　　2．2 尋跡模塊設計

　　此部分采用光電傳感器對路面信息進行識別。采用RPR220型光電對管，RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，接收管是一個高靈敏度的硅平面光電三極管，用3個該紅外對管構(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度與白色區(qū)域的不同，由檢測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，當紅外對管的發(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，當紅外線照射到黑線上時，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，將輸出端信號送至2407A進行分析處理，反射式光電傳感器原理如圖3所示。3個傳感器中如果位于中間的傳感器(中傳感器)檢測到黑線，從傳感器將發(fā)出“有線”信號，后輪兩電機繼續(xù)接通運轉(zhuǎn)，結(jié)果驅(qū)動車體前進。如果除中傳感器之外，左、右傳感器中的任一個未檢測到黑線，則該傳感器輸出“無線”信號，這時脫離引導線的傳感器對側(cè)的驅(qū)動電機停止運行，同側(cè)電機繼續(xù)運行，以此達到校正行進方向的目的。

　　2．3 紅外避障模塊設計

　　在小車行進過程中遇到障礙物，無法正常通過時，采用紅外線檢測器檢測障礙物，并設計算法控制小車繞開障礙物繼續(xù)尋跡前進。在小車前端兩側(cè)分別安裝1個紅外發(fā)射二極管(如東芝TLN110)進行紅外信號的發(fā)射，紅外線光源發(fā)出的信號調(diào)制到38kHz，使用2407A的PWM輸出產(chǎn)生精確的信號。紅外接收器由安裝在車頭中央的專用紅外接收模塊(如CRVPl738)對紅外信號進行接收。小車前進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，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號；b．右邊紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號，檢測中央接收端，判斷是否接收到信號；c．若左邊發(fā)射時，有信號接收則小車左邊有障礙物；若右邊發(fā)射時，有信號接收則小車右邊有障礙物；若左邊和右邊發(fā)射時，都有信號接收則小車正前方有障礙物。

　　在小車前進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。本設計要實現(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，對應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，進行A／D轉(zhuǎn)換得到相應參數(shù)，根據(jù)參數(shù)由 DSP進行相應處理，進行避障前進。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)，當兩者距離偏小時，機器人向遠離障礙物的方向旋轉(zhuǎn)；當兩者距離偏大時，向靠近障礙物的方向旋轉(zhuǎn)。小車沿障礙物行進過程中，在車頭底部光電傳感器檢測到黑線時，小車開始調(diào)整行進姿勢，遠離障礙物，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，可以通過無線通信模塊控制小車繞過障礙物使其繼續(xù)尋跡。

　　2．4 無線通信模塊設計

　　在機器人無法成功避障的情況下，可通過DSP與上位機(PC機)之間的通信協(xié)作來完成避障任務。DSP與PC機之間的通信方式分為有線和無線兩種，多數(shù)采用串行通信。在本設計中采用無線通信方式，可以克服有線通信造成的操作不便。PTR2000是基于nRF401器件的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有低頻發(fā)射、靈敏度高的特點，使其在嵌入式短程無線產(chǎn)品中得到廣泛的應用。要實現(xiàn)DSP與PC機之間的無線通信，需在DSP與小車車體分別安裝一個 PTR2000器件，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。通過2407A的RXD和TXD引腳與PTR2000的DO和DI引腳直接相連，2407A的控制引腳與PTR2000模式控制引腳相連完成PTR2000于DSP之間的連接，通過采用MAX232器件在PTR2000和計算機串口進行RS-232和 TTL電平之間的轉(zhuǎn)換后，完成PTR2000和PC機串口的連接。在DSP和PC機端軟件配合設置PTR2000的狀態(tài)(發(fā)射或接收)，選擇固定的通信頻道，并讓PTR2000一直處于正常工作狀態(tài)，再通過設計軟件系統(tǒng)實現(xiàn)無線通信的功能。