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          基于DSP TMS320LF2407的自動避障小車

          作者: 時間:2010-05-28 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            近年來研究移動機器人倍受重視,仿照生物功能發(fā)明的各種移動機器人越來越多,小到娛樂機器人玩具、家用服務(wù)機器人,大到礦產(chǎn)勘測、工程探險、軍事偵察機器人等。小車是一種移動機器人,它通過傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境,在復(fù)雜環(huán)境中自主移動并完成,一般采用超聲波、紅外、激光、CCD等傳感器設(shè)計。由于探測視角小。方向性強,測量精度高,價格便宜,而且可在夜間工作,因此作為視覺應(yīng)用于移動機器人。本設(shè)計是以TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407型為核心,采集環(huán)境信息并控制智能小車,3個紅外發(fā)收傳感器檢測智能小車前方的障礙物,并且根據(jù)障礙物位置進行自動避障。

            1 自動避障小車總體設(shè)計

            該系統(tǒng)主要由控制、電機驅(qū)動、電源、測速以及視覺等模塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

          系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

            小車為3輪結(jié)構(gòu),前面2個輪分別由2個電機獨立驅(qū)動控制,后面1個萬向輪作為支撐輪。小車安裝有3個,分別位于車頭的左、中、右部位,用于采集環(huán)境信息。車體規(guī)格為:車身板距地7.5 cm,車長25 cm,車寬12 cm,車輪半徑5.5 cm。速度控制采用定頻調(diào)寬的PWM調(diào)速,并應(yīng)用速度反饋和閉環(huán)控制,從而實現(xiàn)小車精確的速度和位置控制。

            2 自動避障小車的硬件設(shè)計

            該系統(tǒng)以 TMS320LF2407A為核心,該DSP片內(nèi)資源豐富,具有電機控制的獨特資源,12路脈寬調(diào)制(PWM)輸出。視覺模塊采用E3FDS3-0P1型紅外傳感器,有效探測距離為30 cm,探測角度30°。將3個紅外傳感器分別接至I/OPE接口的I/OPE4、I/OPE5和I/OPE6。由于光電開關(guān)正常狀態(tài)時信號高電平為5 V,而DSP標準高電平為3.3 V,所以應(yīng)在光電開關(guān)與DSP之間串聯(lián)分壓電阻。電源采用12 V蓄電池供電。DSP是以+3.3 V電壓供電,因此必須將+12 V標準電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V。該系統(tǒng)采用LM7805與MAX604作為電源轉(zhuǎn)換器。12 V電源首先經(jīng)LM7805調(diào)壓到5 V,先將5 V電壓送入紅外傳感器,再送入MAX604降壓為3.3 V,如圖2所示。

          系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

            采用L298驅(qū)動電機,0UTl,0UT2分別與小車的一個電機的正負極相連;OUT3,OUT4分別與小車的另一個電機的正負極相連;L298的INl和IN2引腳分別與DSP的IOPE0(方向4)、IOPE1(方向3)引腳連接,用于接收主控器件輸出的轉(zhuǎn)向電機的動作指令,并通過0UTl和OUT2控制左電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),L298的IN3,IN4引腳分別與DSP的IOPE2(方向2)、IOPE3(方向1)引腳連接,用于接收主控器件輸出的驅(qū)動電機的動作指令,并通過0U113,OUT4控制前方右電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),而ENA和ENB引腳分別連接到DSP的IOPE0(PWM3)、IOPEl(PWM4)引腳,用于控制電機的速度,

            其電路原理圖如圖3所示。

          電路原理圖

            L298分別控制并調(diào)整前面2個電機的旋轉(zhuǎn)方向,控制小車的前進、后退、向左、向右、停止。由于小車采用三輪結(jié)構(gòu),前面2個輪既是動力輪又是方向輪,當INl、IN2、ENA分別為l、0、1,同時IN3、IN4、ENB分別為0、l、l時,小車前進;當INl、IN2、ENA分別為1、O、l,同時IN3、IN4、ENB分別為l、0、l時,小車右轉(zhuǎn);當INl、IN2、ENA分別為0、1,1,同時IN3、IN4、ENB分別為1、0、1時,小車左轉(zhuǎn)。

            采用測速電機測量電機轉(zhuǎn)速,以此判斷速度。電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號,其輸出經(jīng)過HD74HCl4P(HD74HCl4P內(nèi)部有若干反相器電路,可完成寄存器復(fù)位),送至DSP的PA3(CAPl)和PA4(CAP2)引腳,根據(jù)軟件設(shè)置使計數(shù)器對脈沖信號上升沿進行遞增計數(shù)。如圖4所示。

          測速閉環(huán)控制框圖

            3 自動避障小車的軟件設(shè)計

            DSP每隔一段時間對I/OPE4,I/OPE5,I/OPE6這3個端口進行查詢,沒有障礙物時這3個端口為高電平。即111,左邊有障礙物時為011,右邊有障礙物時為110。前方有障礙物時則為010。小車根據(jù)紅外傳感器接收的信號判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動作,如表1所示。

          端口信號分布

            小車在普通情況下(無障礙物)處于前進狀態(tài),當T3定時器發(fā)生周期中斷時,進入程序開始檢測光電開關(guān)的信號線端口,如果有障礙物則從避障程序中選擇一個執(zhí)行(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn)),進行避障動作,如果沒有障礙物則小車繼續(xù)前進并且等待定時器的下一次中斷,其程序流程如圖5所示。

          程序流程

            調(diào)節(jié)參數(shù)不僅可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。還能兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。首先應(yīng)找出小車的理想速度,這是調(diào)節(jié)的前提,也是加入測速的原因。由于測速電機測得的是小車右輪實際速度。先給小車右輪電機一個初始速度,讓小車以給定的初始速度運轉(zhuǎn)起來。然后利用PID算法調(diào)速:在給定速度不變的情況下,每掃描一次程序。小車的實際反饋速度便與理想速度相比較,利用PID算法便可更新給定值。這樣,不斷更新給定值,直到實際速度與理想速度保持一致或者到下一次賦值則停止更新(ek=O)。程序流程如圖6所示,圖6中,設(shè)右輪給定速度v對應(yīng)的理想速度為V,僅限右輪電機,b’為給定速度b對應(yīng)的實際速度。

          程序流程

            4 試驗

            避障小車安裝調(diào)試完成后,對小車性能進行測試:

            1)小車的避障能力試驗測試 錯落擺放障礙物,讓小車向障礙物方向前進,當距障礙物約25 cm時,小車左轉(zhuǎn),然后再向前(左方?jīng)]有障礙物)。試驗發(fā)現(xiàn)小車的傳感器對亮色反映比較明顯,比如遇到白色障礙物,小車會在30 cm外就發(fā)現(xiàn)障礙物并產(chǎn)生動作;當小車遇到黑色障礙物時,一般約在15 cm時才能感應(yīng)到障礙物。

            2)PID算法和PWM方法測試 分3次對小車進行測試,每次要求避開10個黑色障礙物。采用不加入PID程序和PWM程序的小車進行測試,小車3次分別避開6、7、7個障礙物;而采用加入PID程序和PWM程序的小車進行測試,小車3次分別避開9、10、9個障礙物。試驗表明加入PID算法和PWM方法的小車在調(diào)速方面明顯優(yōu)于不加入程序的,并在遇到障礙物時和避開障礙物后都能夠快速調(diào)速,使小車避障能力大大提高。

            5 結(jié)論

            本文對避障小車的設(shè)計進行分析后,提出了在DSPTMS320LF2407技術(shù)平臺上實現(xiàn)小車自動檢測前方障礙物,并給出躲避動作方法。避障車最終實現(xiàn)了從無障礙地區(qū)啟動前進,利用車體前端傳感器感應(yīng)前進路線上的障礙物后,并且根據(jù)障礙物的位置選擇下一步行進方向,避開障礙物。由于紅外傳感器探測信息有限(只能探測障礙物的有無,無法得到距離信息),不能夠判斷障礙物的距離、大小及形狀等。如果使用攝像頭作為視覺探測系統(tǒng),則可使避障小車性能更好,應(yīng)用范圍更廣泛。這也是后續(xù)研究方向。

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