RFID導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

      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。
 

     1前言

      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。作者在讀研期間，多次參加這類機(jī)器人比賽和設(shè)計(jì)。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。

      2 導(dǎo)航硬件系統(tǒng)

      我們開(kāi)發(fā)的硬件系統(tǒng)主要由：DSP核心板,RFID板,系統(tǒng)主板，電子羅盤，驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成。

      2.1  DSP核心板

      我們自行設(shè)計(jì)的DSP系統(tǒng)采用TMS320F2812為核心，2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片。核心采用高速的處理機(jī)，主要是考慮以后對(duì)于系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)。以及方便算法的移植。指令系統(tǒng)最高可在150MHZ主頻下工作，并帶有18k的0等待周期片上SRAM和128k片上存取時(shí)間為36ns FLASH。其片上外設(shè)主要包括ADC、雙SCI、SPI、McBSP、eCAN等，并帶有事件管理模塊（EVA、EVB），分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時(shí)器。其中的雙SCI可以一路接傳感器一路接PC及時(shí)輸出調(diào)試信息。16位的PWM可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)的調(diào)速。CAP等方便了與傳感器的接口。最大輸入為3V的16路、12位,轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns的ADC可以同時(shí)接16路距離傳感器。2812擁有16×16位雙乘法累加器，可以為處理射頻和地磁方向信號(hào)提供足夠的處理速度。由于2812核心電壓（1.8V）和起振頻率的特殊性，此核心板采用無(wú)源晶振。

      核心板采用TPS767D318雙路輸出低壓降LDO。提供雙電源，保證了核心電壓1.8V的穩(wěn)定供給。TPS767D318有高速的瞬態(tài)響應(yīng)，專用于DSP，最大可以提供1A的電流?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)IO和核心的分時(shí)復(fù)位。有上電復(fù)位功能，低壓保護(hù)功能，其復(fù)位延遲時(shí)間為200ms。有過(guò)熱保護(hù)功能。最大功率計(jì)算可以用式1計(jì)算。

                   (1)

      其中TJMAX是最大允許溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般TPS767D318為125度左右。TA是環(huán)境溫度。     RθJA是連接阻抗。對(duì)于28管腳通常為27.9°C/W。實(shí)際的功耗可由式2計(jì)算，其中VI和VO分別為輸入輸出電壓，IO為輸出電流。

                        (2)

      在外圍電壓濾波方面采用多級(jí)坦電容（104和220uF）并聯(lián)的方式。這樣的設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生低ESR的效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在頻域，104能極大的濾除高頻干擾，而220uF能夠最佳程度的降低電壓的低頻干擾。[!--empirenews.page--]

      2.2  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)（RFID）。RFID已經(jīng)成為一個(gè)熱門的技術(shù)。最近沃爾瑪通過(guò)了一項(xiàng)"要求其前100家供應(yīng)商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤和包裝箱時(shí)使用RFID技術(shù)，2006年后逐步在單件商品中使用這項(xiàng)技術(shù)"的決議。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(初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞)，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，如圖4。然后，經(jīng)過(guò)50倍的放大。如圖5和圖6。

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子3和式子4決定。

                            (3)

                             (4)   (其中Vi為輸入電壓)[!--empirenews.page--]

      然后是電子羅盤模塊。CMPS03 電子羅盤是平面角度傳感器。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)電子羅盤模塊是專門為機(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?，所以，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。L298是SGS公司的產(chǎn)品，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。

      2.3  驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

      通過(guò)編寫InitSysCtrl()函數(shù)，對(duì)看門狗控制寄存器WDCR進(jìn)行設(shè)置，其WDFLAG位是看門狗復(fù)位狀態(tài)位。如果該位置位表示一個(gè)看門狗復(fù)位。向WDDIS位寫1會(huì)使看門狗模塊無(wú)效。寫0對(duì)看門狗使能。而對(duì)于WDPS位主要是決定看門狗計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘速率。由于程序中包含有許多循環(huán)，所以對(duì)于看門狗的設(shè)置要特別注意。然后通過(guò)設(shè)置PLLCR對(duì)系統(tǒng)鎖相環(huán)進(jìn)行設(shè)置。這時(shí)候要注意，程序需要加入，5000次循環(huán)等待鎖相穩(wěn)定。這一點(diǎn)在2407里并不是必要的，而針對(duì)2812系統(tǒng)要注意這點(diǎn)。然后通過(guò)HISPCP和LOSPCP來(lái)對(duì)高速和低速外設(shè)來(lái)進(jìn)行匹配。由于在程序中使用了中斷，所以需要對(duì)外設(shè)中斷擴(kuò)展PIE進(jìn)行設(shè)置。方向傳感器通過(guò)捕獲單元和DSP核心進(jìn)行連接。一次脈沖的捕獲需要兩次中斷，通過(guò)控制和讀取FIFO寄存器來(lái)取出方向的信息的脈沖編碼。另外，紅外避障模塊通過(guò)74LV245模塊，轉(zhuǎn)換電平后，和中斷管腳進(jìn)行連接。所以要對(duì)中斷函數(shù)進(jìn)行編程。和RFID傳感器通訊是通過(guò)2812的雙線異步串口。SCI模塊支持CPU與采用非返回至0（non-return-to-zero）(NRZ)標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外圍設(shè)備之間的數(shù)字通信。2812的SCI接收器有一個(gè)16級(jí)深度的FIFO，這樣可以減少空頭的服務(wù)。程序通過(guò)判斷TxRDY位來(lái)判斷有沒(méi)有RFID中斷。這樣，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)機(jī)器人是否到了一個(gè)新的位置。然后讀取SCIRXBUF。最后，通過(guò)EV單元設(shè)置PWM 脈沖，從而控制機(jī)器人的走向。

      3  結(jié)論以及實(shí)現(xiàn)后的系統(tǒng)

      最后，在聯(lián)華超市附近調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，和對(duì)程序的修改，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻路徑點(diǎn)的導(dǎo)航。最終系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖6所示：

圖4 機(jī)器人在超市的實(shí)際運(yùn)行