擇要：智能交通系統(tǒng)是21世紀(jì)城市交通的開展標(biāo)的目的，移動(dòng)機(jī)器人作為智能車輛控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的一個(gè)次要部門，對(duì)智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研討存在非常緊張的意思。先容了面向智能交通系統(tǒng)的SJTNC-1移動(dòng)機(jī)器人的構(gòu)成跟布局，并具體敘述了基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A的控制系統(tǒng)的計(jì)劃跟實(shí)現(xiàn)。
智能交通系統(tǒng)(ITS)的觀點(diǎn)是美國智能交通學(xué)會(huì)于1990年提出的，它將進(jìn)步前輩的信息技術(shù)、通訊技巧、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技巧及計(jì)算機(jī)處置懲罰技巧綜合使用于全部運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，經(jīng)由過程對(duì)交通信息的收羅、傳輸跟處置懲罰，對(duì)交通運(yùn)輸停止調(diào)和跟經(jīng)管，樹立起及時(shí)、精確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理體系，從而進(jìn)步了交通服從跟平安了，實(shí)現(xiàn)性交通運(yùn)輸效勞跟經(jīng)管的智能化。智能車輛的導(dǎo)航與定位、自動(dòng)駕駛與節(jié)制跟車輛的預(yù)警防碰等智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研討，近年來遭到國內(nèi)外愈來愈普遍的存眷，也取得了豐富的結(jié)果。但真正的試驗(yàn)研討仍是很少，基本上只停止了仿真實(shí)驗(yàn)。鑒于實(shí)際上的模擬跟實(shí)際使用環(huán)境能夠相差甚遠(yuǎn)，取舍了存在智能性、易擴(kuò)展性跟移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)的車型移動(dòng)機(jī)器人作為ITS關(guān)鍵技術(shù)的研討平臺(tái)中的次要部門——車輛模擬器。
本文所論述的移動(dòng)機(jī)器人SJTNC-1，就是面向ITS提出的。思量到關(guān)鍵技術(shù)研討中需停止大批的計(jì)較，如模糊控制、卡爾曼濾波跟門路扶引等，而且系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很下，以是采取數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為移動(dòng)機(jī)器人主控CPU。
1TMS320LF2407A簡介
TMS320LF2407A(以下簡稱F2407)是TI公司正在TMS320系列DSP的根底上，專為數(shù)字機(jī)電節(jié)制而計(jì)劃的。除存在普通DSP的改善的哈佛布局、多總線結(jié)構(gòu)跟流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)中，它借采取高性能靜態(tài)CMOS技巧，電壓從5V降為3．3V，削減了功耗。而且指令履行速率進(jìn)步到40MIPS，簡直一切指令皆可以正在25ns的單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如斯下的運(yùn)算速率使其可以經(jīng)由過程采取高等控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波和形態(tài)節(jié)制等去進(jìn)步體系的機(jī)能。并且，它存在機(jī)電節(jié)制使用所必須的外設(shè)，如：32K片內(nèi)FLASH、2K單接見RAM、串行外設(shè)接口(SPl)、串行通信接口(SCl)、兩個(gè)事宜經(jīng)管模塊、16通道單10位A／D轉(zhuǎn)換器跟CAN控制器模塊。2移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
思量到該移動(dòng)機(jī)器人是面向ITS的，以是采取的是車型布局(四輪布局)。前兩輪經(jīng)由過程減速比為8：1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機(jī)電停止毗鄰，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功用；后兩輪經(jīng)由過程減速比為6：1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)電停止毗鄰，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。機(jī)電的選型可依據(jù)實(shí)際環(huán)境取舍小型步進(jìn)機(jī)電或小型直流電機(jī)。這里選用的是瑞土Minimotor公司出產(chǎn)的直流電機(jī)，這類機(jī)電存在體積小、轉(zhuǎn)矩年夜等特色。
3移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)以控制器F2407為焦點(diǎn)，由無線通信、機(jī)電驅(qū)動(dòng)、速率傳感器、數(shù)字羅盤、差分GPS(DGPS)接收機(jī)跟4轉(zhuǎn)1串口通訊模塊等構(gòu)成，如圖1所示。無線通信模塊依據(jù)自行商定的通信協(xié)議吸收上位機(jī)的計(jì)劃好的門路信息，全部控制系統(tǒng)經(jīng)由過程節(jié)制驅(qū)動(dòng)機(jī)電跟轉(zhuǎn)向機(jī)電使移動(dòng)機(jī)器人跟蹤該門路行駛。機(jī)電采取PWM調(diào)速方法，此中驅(qū)動(dòng)機(jī)電采取單閉環(huán)(速率跟電流)PID控制策略，而轉(zhuǎn)向機(jī)電則經(jīng)由過程把數(shù)字羅盤的航向信息作為轉(zhuǎn)向的反應(yīng)量停止PID節(jié)制。全部控制系統(tǒng)把DGPS接收機(jī)的地位信息作為體系的地位反應(yīng)信息，用以實(shí)現(xiàn)全部體系的地位閉環(huán)控制。圖33．1無線通信模塊
MC35是德國西門子公司出產(chǎn)的可二次開發(fā)的撐持GPRS的雙頻GSM模塊，可以經(jīng)由過程尺度串口與PC機(jī)相連。本體系用MC35作為移動(dòng)機(jī)器人與上位機(jī)的通訊模塊。它存在GPRS技巧帶來的所有優(yōu)點(diǎn)，如始終在線跟供給高速價(jià)廉的數(shù)據(jù)傳遞效勞等。該產(chǎn)物的特性以下：
·撐持雙頻：EGSM900／GSM1800
·撐持GPRSClass8和談
·撐持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息跟傳真效勞
·采取電路交流方法，最大傳遞速度為14．4kbps
·撐持的電壓規(guī)模：8V～30V
·采取尺度工業(yè)接口
·體積：65mmx74mmx33mm
·重量：130g
3．2驅(qū)動(dòng)模塊
驅(qū)動(dòng)機(jī)電跟轉(zhuǎn)向機(jī)電的驅(qū)動(dòng)原理不異，皆采取脈寬調(diào)制(PWM)方法停止調(diào)速，PWM旌旗燈號(hào)由F2407發(fā)生。驅(qū)動(dòng)電路采取H全橋方法，由4個(gè)達(dá)林頓管(2個(gè)TIPl32跟2個(gè)TIPl37)、4個(gè)IN4001二極管及與非門構(gòu)成。電路原理圖如圖2所示。當(dāng)PWM2、PWM4為低電平而PWMl、PWM3為高電平時(shí)，T1、T4飽和導(dǎo)通，T2、T3停止，電流從T1→機(jī)電→T4，機(jī)電正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)PWMl、PWM3為低電平而PWM2、PWM4為高電平時(shí)，T2、T3飽和導(dǎo)通，T1、T4停止，電流從T2→機(jī)電→T3，機(jī)電反轉(zhuǎn)。圖4為防備T1、T3或T2、T4同時(shí)導(dǎo)通，造成短路而擊穿器件，要用一對(duì)無堆疊的PWM輸出來精確天開啟跟關(guān)斷那兩對(duì)管子。正在一個(gè)管子關(guān)斷跟另一個(gè)管子開啟之間參加逝世區(qū)工夫，如許便使得一個(gè)管子開啟前，另一個(gè)管子已完整關(guān)斷。F2407存在逝世區(qū)節(jié)制單位是其一大特征，從而可用軟件確保功率電路高低橋臂開關(guān)元件的開明區(qū)間不堆疊，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，進(jìn)步了可靠性。
3．34轉(zhuǎn)1串口通訊模塊
因?yàn)镈GPS接收機(jī)、磁羅盤、里程計(jì)跟MC35通訊模塊皆采取RS-232異步串行通訊，而F2407只有一個(gè)串行口，以是必需將4個(gè)串口數(shù)據(jù)經(jīng)由過程轉(zhuǎn)換處置懲罰去實(shí)現(xiàn)與F2407的串口通訊。為此研制了基于分時(shí)復(fù)用方式的4轉(zhuǎn)1串口通訊模塊。當(dāng)F2407須要某個(gè)傳感器(或無線通信模塊)的數(shù)據(jù)時(shí)，便經(jīng)由過程電路選通該傳感器占用F2407串口停止通訊；當(dāng)須要此外傳感器或無線通信模塊數(shù)據(jù)時(shí)，則關(guān)斷前次傳感器的選通，同時(shí)選通該次傳感器或無線通信模塊。4轉(zhuǎn)1串口通訊模塊由3-8譯碼器74LSl38、三態(tài)輸出的四總線緩沖門74LSl25跟電平轉(zhuǎn)換器MAX232等構(gòu)成，其電路原理圖如圖3所示。
3．4定位傳感器
3．4．1DGPS接收機(jī)
CPS(全球定位系統(tǒng))是基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它供給一種便宜實(shí)用的可正在寰球規(guī)模內(nèi)肯定地位、速率跟工夫的對(duì)象。CPS由24顆衛(wèi)星(21顆事情星、3顆備份星)構(gòu)成星座，星座漫衍正在與地球赤道面傾角為55°的6個(gè)軌道面上，其運(yùn)轉(zhuǎn)周期為11小時(shí)58分，軌道半徑為20200km，各軌道里夾角，為60°。每顆衛(wèi)星向地球發(fā)射L頻段的特高接連波，調(diào)制兩種偽隨機(jī)碼(軍用高精度保密P碼跟民用C／A碼)。如許的漫衍特色保障了用戶正在地球上任何地址、任何工夫至少可以接連天收到4顆以上衛(wèi)星的導(dǎo)航旌旗燈號(hào)，從而聯(lián)立解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和接收機(jī)跟GPS間的工夫偏移。三維坐標(biāo)采取ECEF笛卡兒坐標(biāo)系或大地坐標(biāo)系如WGS84。
雖然美國政府于2001年5月勾銷了民用C／A碼的可選擇性護(hù)衛(wèi)，但民用導(dǎo)航型GPS接收機(jī)的單點(diǎn)及時(shí)定位精度只能到達(dá)25m擺布，不克不及知足體系的定位導(dǎo)航要求。而采取及時(shí)差分GPS(DGPS)，其定位精度可以到達(dá)2～5m，該精度已能知足體系定位跟導(dǎo)航的要求。
為此研發(fā)了單基站DGPS(SRDGPS)體系，其布局框圖如圖4所示?；鶞?zhǔn)站由ALLSTARBASEGPS接收機(jī)、天線跟MDS無線電發(fā)射臺(tái)、天線構(gòu)成，流動(dòng)站由SUPERSTARGPS接收機(jī)、天線跟MDX無線電吸收臺(tái)、天線構(gòu)成。此中基準(zhǔn)站裝置正在上海交大徐家匯校區(qū)講授一樓樓頂，該基準(zhǔn)站能籠罩周遭30千米的規(guī)模，流動(dòng)站裝置正在車載單位上。
3．4．2數(shù)字羅盤跟車速傳感器
采取HoneyWell公司的HMR3300數(shù)字羅盤作為移動(dòng)機(jī)器人的標(biāo)的目的檢測傳感器。其次要技術(shù)指標(biāo)為：(1)1度航向精度，0．1度分辨率；(2)0．5度重復(fù)性；(3)±60度傾斜俯仰規(guī)模；(4)15Hz相應(yīng)工夫；(5)-40+85度工作溫度；(6)6～15V直流電壓。
同時(shí)采取用于大眾汽車公司桑塔納2000型轎車的霍爾車速傳感器作為移動(dòng)機(jī)器人的車速傳感器。其事情原理是以霍爾傳感器為變更元件，將機(jī)器扭轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)化為電脈沖旌旗燈號(hào)輸出。次要技術(shù)指標(biāo)為：(1)輸出波形為矩形脈沖，占空比為50％；(2)每扭轉(zhuǎn)一周發(fā)生6個(gè)脈沖；(3)額外電壓為12V。
4電源模塊
電源模塊需離別給各傳感器、DSP芯片、別的芯片跟機(jī)電供電。此中，磁羅盤、碼盤跟DGPS接收機(jī)利用12V直流電壓，DSP芯片利用3．3V直流電壓，別的芯片利用5V直流電壓，另有機(jī)電電源利用12V直流電壓。以是，采取1節(jié)12V的直流蓄電池(4AH)，直流5V經(jīng)由過程ST半導(dǎo)體公司的L7805跟擴(kuò)流用的功率管實(shí)現(xiàn)，DSP芯片用3．3V電源采取ON半導(dǎo)體公司的1SMB5913BT3實(shí)現(xiàn)。F2407畸形事情時(shí)，一切電源管腳皆為3．3V；寫入FLASH存儲(chǔ)器時(shí)，VCCP引腳為5V供電；復(fù)位時(shí)，復(fù)位電路會(huì)發(fā)生一個(gè)10μs寬度的連續(xù)低電平使芯片復(fù)位。
5控制器程序結(jié)構(gòu)
DSP順序由五大功能模塊構(gòu)成，離別為體系初始化模塊、串口通訊模塊、門路引誘模塊、驅(qū)動(dòng)機(jī)電節(jié)制模塊跟轉(zhuǎn)向機(jī)電節(jié)制模塊。TI公司供給了用于C語言開辟的CC跟CCS平臺(tái)。該平臺(tái)包羅了ANSIC優(yōu)化編譯器，從而可以正在源程序級(jí)停止開辟調(diào)試。這類方法大大提高了軟件的開辟速率跟可讀性，便利了軟件的點(diǎn)竄跟移植。但正在某些環(huán)境下，代碼的服從仍是沒法與手工編寫的匯編代碼的服從比擬。另外，用C語言實(shí)現(xiàn)芯片的某些硬件節(jié)制也不如匯編程序便利，有些以至沒法用語言實(shí)現(xiàn)。為了充分利用芯片的資源，更好天施展C語言跟匯編語言停止軟件開發(fā)的各自優(yōu)點(diǎn)，采取混淆編程方式將二者無機(jī)聯(lián)合起來，統(tǒng)籌二者的優(yōu)點(diǎn)，制止其弊病。體系的框架如圖5所示。上面對(duì)要害的幾大模塊停止扼要的論述。
5．1串口通訊模塊
便攜式塑料分揀機(jī)器人英國asda分揀機(jī)器人價(jià)格該模塊順序采取串口中止方法實(shí)現(xiàn)，主程序次要由體系初始化、串口初始化、串口中止設(shè)置跟守候中止構(gòu)成。而中止子程序分為發(fā)送子程序跟吸收子程序。本文給出發(fā)送子程序流程圖。主程序及發(fā)送子程序流程圖如圖6所示。
5.2門路引誘模塊
該模塊正在移動(dòng)機(jī)器人行駛中為其供給及時(shí)的速率跟轉(zhuǎn)向指令，從而引誘它沿著上位機(jī)給定的門路行駛。次要包羅行駛指令的發(fā)生跟計(jì)劃門路的跟蹤兩個(gè)環(huán)節(jié)。
依據(jù)預(yù)瞄追隨實(shí)際及駕駛員的開車行動(dòng)特性，智能行駛跟駕駛員支配行動(dòng)是內(nèi)涵同等的。經(jīng)由過程研討有駕駛員支配行動(dòng)，發(fā)明次要依據(jù)兩個(gè)因素決意車輛的行進(jìn)速率，那兩個(gè)因素離別是途徑的蜿蜒水平跟機(jī)器人絕對(duì)參考門路上的標(biāo)的目的誤差。移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)速率的節(jié)制沒有須要接連變更，可設(shè)置為三檔，離別對(duì)應(yīng)下、中跟低三個(gè)速率。由此肯定的行進(jìn)速率跟蹤劃定規(guī)矩為：
·當(dāng)標(biāo)的目的誤差小于10度時(shí)，門路根本為直線，行進(jìn)速率設(shè)為高速；
·當(dāng)標(biāo)的目的誤差小于90度時(shí)，門路蜿蜒較嚴(yán)峻，行進(jìn)速率設(shè)為低速；
·別的環(huán)境時(shí)，行進(jìn)速率為中速。
5．3驅(qū)動(dòng)機(jī)電跟轉(zhuǎn)向機(jī)電節(jié)制模塊
自動(dòng)分揀機(jī)器人功能驅(qū)動(dòng)機(jī)電模塊采用PID控制策略，將車速傳感器檢測的旌旗燈號(hào)作為機(jī)電的反應(yīng)旌旗燈號(hào)，停止PID節(jié)制，取得了很好的節(jié)制后果。轉(zhuǎn)向節(jié)制模塊的控制策略與驅(qū)動(dòng)機(jī)電的近似，只是其反應(yīng)的旌旗燈號(hào)為數(shù)字羅盤的標(biāo)的目的旌旗燈號(hào)。PID節(jié)制算式為：
△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Ki·e(k)+
Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
u(k)=(k-1)+△u(k)
式中，u(k)為節(jié)制的輸出；e(k)為k時(shí)辰的誤差；Kp、Ki、Kd離別為PID控制算法的比例系數(shù)、積分常數(shù)跟微分常數(shù)。
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