輪式遙控機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)攻略 —電路圖天天讀（166）

　　輪式遙控機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在地震、火災(zāi)等一些危險(xiǎn)的室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行救援和探測(cè)，或執(zhí)行反恐任務(wù)。由并且近年來(lái)MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的慣性傳感器隨半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步得到了迅速發(fā)展，使其低成本而高精度的期望得到了實(shí)現(xiàn)。MEMS慣性傳感器組成的慣性導(dǎo)航裝置結(jié)合輪式小車的里程計(jì)，能夠產(chǎn)生導(dǎo)航和定位信息，減少對(duì)外部環(huán)境的倚賴，實(shí)現(xiàn)在外部環(huán)境條件（例如光照、墻壁材質(zhì)）未知情況下的導(dǎo)航，因此本項(xiàng)目采用了具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理功能的DSP 28335芯片和PC控制終端，實(shí)現(xiàn)慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集、時(shí)序邏輯控制、與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通信和地圖顯示功能， 具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文將選用低成本的MEMS器件，結(jié)合DSP和卡爾曼濾波算法，能實(shí)現(xiàn)較高精度的輪式小車導(dǎo)航和定位。

　　系統(tǒng)體系架構(gòu)

　　本文的目標(biāo)是研制一個(gè)輪式小車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠通過(guò)wifi實(shí)現(xiàn)PC終端和手持終端控制輪式小車行動(dòng)以及小車所采集數(shù)據(jù)的傳輸。搭建如下圖1所示的系統(tǒng)，TI公司的浮點(diǎn)DSP TMS320F28335芯片作為主數(shù)字信號(hào)處理器，采集各MEMS慣性傳感器的信號(hào)并處理，處理結(jié)果通過(guò)WIFI將數(shù)據(jù)輸送到PC終端;PC終端負(fù)責(zé)顯示定位結(jié)果和地圖顯示，并向小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時(shí)接收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反饋的里程計(jì)信息。

　　圖1 總體架構(gòu)

　　硬件設(shè)計(jì)上，主要分為核心板和驅(qū)動(dòng)板。核心板包括DSP最小系統(tǒng)，JTAG下載口設(shè)計(jì)，系統(tǒng)電源供給電路和MEMS傳感器，WIFI模塊等。而驅(qū)動(dòng)板主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容是直流大電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。TMS320F28335工作時(shí)需要的電壓不同：內(nèi)核電壓（1.9 V）與I/O供電電壓（3.3 V），對(duì)于電源比較敏感，所以電源部分利用兩路輸出電源器件TPS767D318來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。同時(shí)根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際焊接電路的測(cè)試，電源模塊輸出端最好使用一些容值不小于10uf的保護(hù)電容，且不能使用貼片電容，否則工作不穩(wěn)定。

　　圖2 DSP電源設(shè)計(jì)

　　在電源設(shè)計(jì)中，考慮到TPS767D318芯片可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，所以在核心板上并沒有再另外為DSP設(shè)計(jì)復(fù)位電路。

　　TAG下載口電路設(shè)計(jì)

　　圖3為JTAG電路，按照仿真器的通信引腳選擇14腳的仿真接口，同時(shí)要注意EMU0和EMUl信號(hào)必須通過(guò)上拉電阻連接至電源，其中上拉電阻為10kΩ。

　　圖3 JTAG電路設(shè)計(jì)

　　車驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)

　　在本裝置中，我們采用BTS7960作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。BTS7960是集成的大電流半橋驅(qū)動(dòng)，其內(nèi)部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半橋門集驅(qū)動(dòng)，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj = 25 °C 時(shí)，其內(nèi)阻抗為17mΩ。裝置采用了兩個(gè)直流大電機(jī)，如圖4所示為驅(qū)動(dòng)單個(gè)電機(jī)前后轉(zhuǎn)向的電路圖。

　　圖4 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

　　在電機(jī)驅(qū)動(dòng)這里，需要注意一個(gè)細(xì)節(jié)，就是電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有可能會(huì)產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢(shì)，使電流一瞬間過(guò)大，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位甚至有可能燒壞芯片。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以考慮在單片機(jī)PWM輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口的地方添加光耦器件隔離或者二極管。如圖5所示，驅(qū)動(dòng)板選擇了tlp521-4這種光耦器件設(shè)計(jì)隔離電路，減小電壓的干擾，減化電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也把四路PWM的I/O電平從3.3上拉到5V。

　　圖5 TLP521隔離電路

　　在軟件程序設(shè)計(jì)上，主要應(yīng)用九自由度慣性導(dǎo)航傳感器（ITG3200+ADXL345+HMC5883L ），結(jié)合DSP和卡爾曼濾波算法，能實(shí)現(xiàn)較高精度的輪式小車導(dǎo)航和定位。本文所設(shè)計(jì)的輪式小車室內(nèi)慣性導(dǎo)航裝置，分析了該軟件設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到移動(dòng)機(jī)器人的位置信息，并對(duì)其能實(shí)現(xiàn)有效控制。同時(shí)其低成本、高精度、易操作的特點(diǎn)將進(jìn)一步應(yīng)用于例如巡邏機(jī)器人、救援機(jī)器人等專業(yè)領(lǐng)域，必將吸引國(guó)內(nèi)外眾多的投資商對(duì)其投資并進(jìn)行更進(jìn)一步的研發(fā)與應(yīng)用，使其有著十分廣大的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)前景、應(yīng)用前景和市場(chǎng)前景。