基于DSP芯片TMS320F240和CPLD實(shí)現(xiàn)尋路機(jī)器人的設(shè)計(jì)

在最近的機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，較多參賽題目要求機(jī)器人沿場(chǎng)地內(nèi)白色或黑色指引線(xiàn)行進(jìn)。一些研究人員提出了基于尋線(xiàn)的機(jī)器人設(shè)計(jì)策略，主要是關(guān)注指引線(xiàn)的檢測(cè)，但對(duì)于機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)未做說(shuō)明。本文在總結(jié)此類(lèi)賽事的基礎(chǔ)上，提出了一種將DSP(Digital Signal Processor)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)作為核心處理器，采用模糊控制策略處理來(lái)自檢測(cè)指引線(xiàn)傳感器信號(hào)的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的通用性設(shè)計(jì)方法。

1 車(chē)體機(jī)械設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人比賽對(duì)參賽機(jī)器人有嚴(yán)格的尺寸限制，需要在有限的空間內(nèi)合理安排各個(gè)機(jī)構(gòu)。本文給出車(chē)體最小尺寸時(shí)驅(qū)動(dòng)輪、光電傳感器以及控制芯片之間的相對(duì)位置，如圖1所示。

機(jī)器人采用雙直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，其額定電壓為24V。車(chē)體的前后端分別安裝光電傳感器檢測(cè)板實(shí)現(xiàn)指引線(xiàn)的檢測(cè)。相鄰光電傳感器距離略小于指引線(xiàn)寬度，保證同時(shí)有兩個(gè)傳感器可以檢測(cè)到指引線(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

這部分主要介紹核心控制器DSP與功能擴(kuò)展芯片CPLD的連接，簡(jiǎn)要介紹其它功能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 核心控制器設(shè)計(jì)

目前，機(jī)器人核心控制器多選用單片機(jī)。筆者考慮到單片機(jī)指令周期長(zhǎng)、可用資源少，難以滿(mǎn)足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求，在綜合性?xún)r(jià)比、開(kāi)發(fā)周期等因素后，核心控制器選用TI公司的電機(jī)數(shù)字控制專(zhuān)用DSP——TMS320F240(以下簡(jiǎn)稱(chēng)′F240)。它具有運(yùn)動(dòng)控制非常有效的事件管理器，其中包括12路比較/PWM通道，可以非常方便地控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速;利用其片內(nèi)的3個(gè)可以工作于6種模式的16位通用定時(shí)器，可以完成機(jī)器人絕大部分動(dòng)作的控制;16個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器可以方便地讀取模擬信號(hào)。由于機(jī)器人指引線(xiàn)檢測(cè)模塊返回信號(hào)可看作反饋信號(hào)，因此機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)設(shè)置′F240定時(shí)器，利用I/O端口輸出設(shè)定脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)設(shè)定距離。具體實(shí)現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)部分介紹?！銯240的其他片內(nèi)I/O、PWM端口、A/D都引出輸入輸出線(xiàn)，方便擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)。

從′F240的特點(diǎn)可以看出，′F240可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法和進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)器人動(dòng)作控制。然而根據(jù)車(chē)體設(shè)計(jì)方案，需要在車(chē)體上安裝20個(gè)光電檢測(cè)傳感器，占用控制器的20個(gè)I/O端口。這樣，′F240可用于擴(kuò)展功能的I/O端口大大減少。機(jī)器人在比賽中會(huì)有比較劇烈的撞擊，如設(shè)計(jì)各種功能數(shù)字電路會(huì)嚴(yán)重降低控制板的可靠性。此處選用Altera公司的EPM7128作為核心處理器的擴(kuò)展、模糊控制的輸入。為滿(mǎn)足DSP與CPLD之間的協(xié)同處理，′F240與EPM7128可采用如圖2所示的電路連接?！銯240的16根數(shù)據(jù)線(xiàn)和A12～A15共4根地址線(xiàn)連到EPM7128，通過(guò)選擇信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)和讀信號(hào)完成對(duì)EPM7128的讀寫(xiě)操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+PlusⅡ編程環(huán)境下通過(guò)軟件和硬件管腳設(shè)置實(shí)現(xiàn)。這種DSP+CPLD的結(jié)構(gòu)可以在充分?jǐn)U展系統(tǒng)功能的同時(shí)，使DSP更能發(fā)揮其運(yùn)算功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。

穩(wěn)壓電路主要由LM7805芯片組成;信號(hào)輸入電路由微動(dòng)開(kāi)關(guān)經(jīng)反相器71HC14后再送往DSP，微動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入電路有去耦電路，輸出信號(hào)加上拉電阻;顯示模塊采用MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)，八位LED數(shù)碼管，每個(gè)LED對(duì)應(yīng)三個(gè)I/O端口。

2.2 光電檢測(cè)模塊

光電檢測(cè)模塊的功能是將指引線(xiàn)準(zhǔn)確地檢測(cè)出來(lái)。此處主要借助反射式光藕TCRT5000。這是一種自帶發(fā)光二極管和光敏三極管的器件，其集電極電流Ic與反射距離d之間有圖3所示關(guān)系。

TCRT5000的應(yīng)用電路見(jiàn)如4所示。當(dāng)檢測(cè)到綠色地面時(shí)，由于反射率不高，Ic1太小，三極管T2截止而輸出高電平。當(dāng)檢測(cè)到白色地面時(shí)，由于反射率較高，Ic1較大，三極管T2飽和而輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了白線(xiàn)的檢測(cè)。555構(gòu)成了施密特觸發(fā)器，用于去除反射性光耦產(chǎn)生的噪聲和波形的整形。

2.3 動(dòng)作電機(jī)控制電路

在機(jī)器人尋線(xiàn)行走過(guò)程中，需要完成規(guī)定的動(dòng)作。這些動(dòng)作的完成不需要控制相應(yīng)動(dòng)作電機(jī)的轉(zhuǎn)速，本文直接利用I/O輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器進(jìn)而使直流電機(jī)動(dòng)作。固態(tài)繼電器選用松下電器公司雙刀雙擲(DPDT)型，型號(hào)為DS2Y-S-DC5V。盡管此繼電器控制電壓為5V，可與TTL的邏輯電平相兼容，但一般TTL芯片的輸出電流還達(dá)不到其輸入電流40mA。集電極開(kāi)路的門(mén)電路(Open Collector Gate，簡(jiǎn)稱(chēng)OC門(mén))可增大輸出電流，并且繼電器兩控制端的輸入電阻剛好可以作為OC門(mén)電路輸出需要的上拉電阻。具體選用具有OC門(mén)結(jié)構(gòu)的芯片ULN2003，它是由7個(gè)NPN達(dá)林頓管組成的高電壓、高電流達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器。 因?yàn)槊總€(gè)DS2Y-S-DC5V提供兩組常開(kāi)端口，因此如果在兩組端口的N.O.端口上分別連上電機(jī)電源的正極和地，則可以用兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于繼電器在切換電壓時(shí)，繼電器線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生大的反電動(dòng)勢(shì),需要在繼電器切換電壓的兩端加續(xù)流二極管，以消除切換時(shí)的電火花，避免出現(xiàn)大的浪涌電流，減少繼電器產(chǎn)生的電磁干擾。

機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想是利用光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)車(chē)體偏離指引線(xiàn)的大小來(lái)調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)速度，使機(jī)器人沿指引線(xiàn)行進(jìn)。這恰好符合模糊控制的思想。

把前后光電檢測(cè)板上的光電檢測(cè)傳感器編號(hào)，將檢測(cè)到指引線(xiàn)的編號(hào)最大的光電檢測(cè)傳感器的編號(hào)作為車(chē)體偏離的距離，編號(hào)方法如表1。這樣，模糊控制器有兩個(gè)輸入：前后光電檢測(cè)板的輸入編號(hào);模糊控制器有兩個(gè)輸出：左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)。

模糊控制器的輸入量的語(yǔ)言值模糊子集選取為：{LB，LS，ZO，RS，RB}。其中：LB=左大;LS=左小;ZO=中心;RS=右小;RB=右大。輸出量的語(yǔ)言值模糊子集選取為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中：NB=負(fù)大;NM=負(fù)中;NS=負(fù)小;ZO=零;PS=正小;PM=正中;PB=正大。

根據(jù)隸屬函數(shù)的定義和選取規(guī)則，輸入變量前部位置iF 和后部位置iB的隸屬度選擇相同，如圖5所示。輸出變量左輪轉(zhuǎn)速OUL和右輪轉(zhuǎn)速OUR的隸屬度選擇相同，如圖6所示。

根據(jù)多次的實(shí)驗(yàn)和修正，得到如表2的左輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表(右輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表內(nèi)容與左輪的轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表對(duì)應(yīng)，例如iF為RB、iB為L(zhǎng)B時(shí)對(duì)應(yīng)的OUL為NB，類(lèi)似可得到右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表)。模糊推理采用Mamdani法。反模糊化采用重心法，最終得到如表3所示的左輪轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表(右輪轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表可用類(lèi)似于右輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則表推導(dǎo)的方法得到)。在′F240存儲(chǔ)空間中以表格的形式存儲(chǔ)表3，根據(jù)輸入可得到相應(yīng)輸出。

上述模糊信號(hào)的獲取通過(guò)EPM7128用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，此部分的編程相對(duì)簡(jiǎn)單，不再贅述。由于光電傳感器信號(hào)的改變可以實(shí)時(shí)反映在CPLD的輸出上，′F240只需定時(shí)讀取此信號(hào)并做相應(yīng)從處理即可。假設(shè)前光電檢測(cè)板和后光電檢測(cè)板的信號(hào)分別保存在RE_CPLD字節(jié)的高半字節(jié)、低半字節(jié)中，若這兩個(gè)信號(hào)大于10則保持原數(shù)據(jù)不變，否則根據(jù)信號(hào)的大小計(jì)算此值在轉(zhuǎn)速控制信號(hào)輸出表中的偏移量：

其中#04h為保存轉(zhuǎn)速表的頁(yè)面，#MATRIXL為轉(zhuǎn)速表起始地址在頁(yè)面中的偏移量，ADDER_PS為查表值相對(duì)轉(zhuǎn)速表起始地址的偏移量。若將查表得到的值變化后保存為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的定時(shí)器的周期，則可以實(shí)時(shí)改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

4 步進(jìn)電機(jī)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)。它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移，即給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)一定角度。步進(jìn)電機(jī)控制器的輸入端口有：VDD——電機(jī)電源正極;GND——電源地線(xiàn);OPTO——控制信號(hào)的公共陽(yáng)極;DIR——電機(jī)方向控制端;FREE——脫機(jī)輸入端;CP——脈沖輸入端(CP停止施加脈沖時(shí)，要保證CP為高電平，使內(nèi)部光耦截止)。此處給DIR端加高電平，使機(jī)器人只向前行進(jìn)，在程序中只需對(duì)CP端進(jìn)行處理。

脈沖的產(chǎn)生通過(guò)控制I/O端口的電平變化實(shí)現(xiàn)。在設(shè)定了定時(shí)中斷的各種參數(shù)后，在定時(shí)器中斷處理程序中使一個(gè)標(biāo)志字不停地加1：

在主程序中可以設(shè)定行走距離，定時(shí)中斷的時(shí)間間隔決定脈沖的頻率，也即決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度：

其中，數(shù)值2 000代表機(jī)器人行走的距離單位。利用模糊控制策略，改變控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的定時(shí)器定時(shí)周期的長(zhǎng)短以及行進(jìn)的距離，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋線(xiàn)行進(jìn)。

在總結(jié)近期參加的機(jī)器人比賽和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的基礎(chǔ)上，針對(duì)機(jī)器人尋線(xiàn)行走的普遍要求，提出了一種基于DSP+CPLD和模糊控制策略的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)方法。利用該方法設(shè)計(jì)的機(jī)器人參加了多種不同的機(jī)器人比賽(如全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽、足球機(jī)器人比賽子項(xiàng)和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等)，運(yùn)行狀況良好，取得了較理想的成績(jī)，進(jìn)而證實(shí)了此設(shè)計(jì)的有效性。

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