基于DSP和模糊控制的尋線行走機器人設計與實現
　　2008-06-17 11:02:58 來源：電子技術應用 作者：侯少云 曹衛華 吳敏 桂衛華 何艷麗 中南大學
　　分享到：標簽：機器人 傳感器 DSP 模糊控制 單片機
　　在最近的機器人比賽和電子設計競賽中，較多參賽題目要求機器人沿場地內白色或黑色指引線行進。一些研究人員提出了基于尋線的機器人設計策略，主要是關注指引線的檢測，但對于機器人的整體設計未做說明。本文在總結此類賽事的基礎上，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自檢測指引線傳感器信號的機器人行走機構的通用性設計方法。
　　1 車體機械設計
　　由于機器人比賽對參賽機器人有嚴格的尺寸限制，需要在有限的空間內合理安排各個機構。本文給出車體最小尺寸時驅動輪、光電傳感器以及控制芯片之間的相對位置，如圖1所示。
　　
　　機器人采用雙直流步進電機驅動方式，其額定電壓為24V。車體的前后端分別安裝光電傳感器檢測板實現指引線的檢測。相鄰光電傳感器距離略小于指引線寬度，保證同時有兩個傳感器可以檢測到指引線。
　　2 硬件電路設計
　　這部分主要介紹核心控制器DSP與功能擴展芯片CPLD的連接，簡要介紹其它功能模塊的硬件實現。系統整體結構如圖2所示。
　　
　　2.1 核心控制器設計
　　目前，機器人核心控制器多選用單片機。筆者考慮到單片機指令周期長、可用資源少，難以滿足機器人實時控制的要求，在綜合性價比、開發周期等因素后，核心控制器選用TI公司的電機數字控制專用DSP——TMS320F240（以下簡稱′F240）。它具有運動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轉速；利用其片內的3個可以工作于6種模式的16位通用定時器，可以完成機器人絕大部分動作的控制；16個10位A/D轉換器可以方便地讀取模擬信號。由于機器人指引線檢測模塊返回信號可看作反饋信號，因此機器人驅動電機選用步進電機。通過設置′F240定時器，利用I/O端口輸出設定脈沖信號，該信號經步進電機驅動電路使步進電機行進設定距離。具體實現在軟件設計部分介紹。′F240的其他片內I/O、PWM端口、A/D都引出輸入輸出線，方便擴展功能的實現。
　　從′F240的特點可以看出，′F240可用于實現復雜控制算法和進行復雜的機器人動作控制。然而根據車體設計方案，需要在車體上安裝20個光電檢測傳感器，占用控制器的20個I/O端口。這樣，′F240可用于擴展功能的I/O端口大大減少。機器人在比賽中會有比較劇烈的撞擊，如設計各種功能數字電路會嚴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展、模糊控制的輸入。為滿足DSP與CPLD之間的協同處理，′F240與EPM7128可采用如圖2所示的電路連接。′F240的16根數據線和A12～A15共4根地址線連到EPM7128，通過選擇信號、寫信號和讀信號完成對EPM7128的讀寫操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+PlusⅡ編程環境下通過軟件和硬件管腳設置實現。這種DSP＋CPLD的結構可以在充分擴展系統功能的同時，使DSP更能發揮其運算功能強大的特點［4］。