導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) —電路圖天天讀（49）

　　隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人民生活水平提高，機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活中。這個(gè)時(shí)代的來(lái)臨，出現(xiàn)了各種新型機(jī)器人，如清掃機(jī)器人、安防機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人的最重要的部分之一：導(dǎo)航系統(tǒng)，更加引起機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)注。機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)許多機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域至關(guān)重要如：智能倉(cāng)庫(kù)，超市導(dǎo)購(gòu)，家用機(jī)器人，自動(dòng)化圖書(shū)館，智能醫(yī)院等。比較普遍的是尋線機(jī)器人。實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)：因?yàn)槭艿焦潭ň€的限制，這種體系并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的全方位的自主運(yùn)行。另外，這種方法受到光的影響很大，不能實(shí)際的應(yīng)用與生活中。線在地表也會(huì)影響地面美觀。在經(jīng)過(guò)充分的文獻(xiàn)查找和思考后提出了一種新的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，把RFID，地磁感應(yīng)，DSP等技術(shù)融合。進(jìn)行了實(shí)際的系統(tǒng)硬軟件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性測(cè)試。

　　系統(tǒng)主板與傳感模塊

　　關(guān)于電源，系統(tǒng)采用12V鋰電池供電，采用三端正電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓。內(nèi)部集成功率保護(hù)。輸出電流可以達(dá)到1A。輸入耐壓可以到達(dá)30V。提供充電接口，通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，電路板上留有接口，可以對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。定位裝置采用射頻技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型，在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽、閱讀器、天線。按作用距離可分為密耦合卡（作用距離小于1厘米）、近耦合卡（作用距離小于15 厘米）、疏耦合卡（作用距離約1米）和遠(yuǎn)距離卡（作用距離從1米到10米，甚至更遠(yuǎn)）。本系統(tǒng)采用近耦合卡。射頻模塊與2812的SCIA口進(jìn)行通訊。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼，判斷機(jī)器人的位置。

　　接著是紅外避障模塊。一般機(jī)器人的避障可以采用紅外反射的方法，這在機(jī)器人比賽中比較普遍。GPIO控制紅外線的發(fā)射，然后如果遇到障礙物會(huì)反射回來(lái)，接收管子收到光線后引起電阻變化，檢測(cè)其電阻變化就可以判斷是否有障礙物了。但是這種方法容易受到光噪聲的干擾。所以距離比較近，一般只能達(dá)到2-3cm。本人在多次比賽中，經(jīng)過(guò)查資料和研究，提出了一種使用標(biāo)準(zhǔn)高頻信號(hào)38KHZ的紅外線進(jìn)行障礙的探測(cè)的電路。因?yàn)槭褂酶哳l信號(hào)和高頻運(yùn)放，有了一定的抗干擾能力，同時(shí)探測(cè)的距離的最大提高到8cm。首先，通過(guò)555發(fā)射紅外線。接著，信號(hào)通過(guò)紅外接收管后經(jīng)過(guò)隔直電容，送入高頻運(yùn)放LM318N。然后，經(jīng)過(guò)50倍的放大。

　　圖 1 555發(fā)射電路

　　圖 2 頻率識(shí)別電路

　　圖 3 檢測(cè)放大電路

　　LM567是鎖相環(huán)電路， 8腳雙列直插封裝。第5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率。1、2腳通常分別通過(guò)一個(gè)電容器接地，產(chǎn)生輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳接的電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。壓控振蕩器的中心頻率和濾波帶寬可由式?jīng)Q定。

　　 （4） （其中Vi為輸入電壓）

　　然后是電子羅盤(pán)模塊。CMPS03 電子羅盤(pán)是平面角度傳感器。通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前傳感器與地球磁場(chǎng)直接的角度，電子羅盤(pán)可以獲得分辨率為0.1度的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度。這個(gè)電子羅盤(pán)模塊是專(zhuān)門(mén)為機(jī)器人而制造，目的為了給機(jī)器人提供合適的方向?qū)Ш叫盘?hào)。對(duì)于任何方向，都可以生成獨(dú)一無(wú)二的編碼。該傳感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感應(yīng)芯片，其精度很高。有兩種輸出方式，第一種：I2C方式，由Pin2（SCL）和Pin3（SDA）輸出。Pin7和Pin5必須懸空。Pin6用來(lái)進(jìn)行校正。這些管腳都接到主板上，由于模塊是5V供電，而DSP是3.3V所以還需要用74LVC245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。通過(guò)2812的GPIOB通過(guò)Pin6對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正。校正只需要做一次，因?yàn)閿?shù)據(jù)會(huì)保存在電子羅盤(pán)中的PIC單片機(jī)的EEPROM。第6腳有一個(gè)上拉電阻。進(jìn)行校正只需要通過(guò)GPIO給Pin6一個(gè)負(fù)相脈沖，而且因?yàn)橛猩侠娮瑁?，此管腳與系統(tǒng)斷開(kāi)也是可以的。

　　最后是系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。采用L298芯片。比較常見(jiàn)的是15腳MulTIwatt封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。L298內(nèi)含的功率輸出器件設(shè)計(jì)制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數(shù)一致性，工作穩(wěn)定。15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個(gè)引腳也可以直接接地。它是高電壓的，高電流的雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片?？梢灾苯咏邮軜?biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平?？梢则?qū)動(dòng)各種負(fù)載如電機(jī)，繼電器等。有兩個(gè)使能輸入，通過(guò)它控制PWM波的有效性。L298集成有兩個(gè)能量輸出塊A，B。另外，我們?cè)O(shè)計(jì)的板子上加有續(xù)流二極管。　　

電子發(fā)燒友網(wǎng)技術(shù)編輯點(diǎn)評(píng)分析：

　　本文采用了無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)、紅外線距離傳感技術(shù)和地磁感應(yīng)電子羅盤(pán)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)出了一種基于DSP控制的信息融合的自主移動(dòng)的機(jī)器人的導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。并且在設(shè)計(jì)的過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況的需要，對(duì)傳統(tǒng)的紅外避障傳感器進(jìn)行了一些改進(jìn)，同時(shí)，對(duì)信息融合狀態(tài)下的DSP系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)架購(gòu)設(shè)計(jì)，作出了一些研究和論述。給出了小型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)這種架構(gòu)下的自行設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器人，在超級(jí)市場(chǎng)中進(jìn)行了實(shí)際的穩(wěn)定性測(cè)試。
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