基于DSP的自動避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、上 海 電 力 學(xué) 院DSP原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)論文 設(shè)計(jì)名稱 基于DSP2407的自動避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 （系） 專 業(yè) 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 目錄摘要.3小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義.3設(shè)計(jì)功能概述.4硬件選擇.4 電機(jī)驅(qū)動模塊.6 傳感器系統(tǒng).7 壁障模塊.8 電源電路的選型.9整體構(gòu)思.9避障電路.10電機(jī)驅(qū)動電路.11避障小車設(shè)計(jì).121、 自動避障小車總體設(shè)計(jì).122、 自動避障小車的硬件設(shè)計(jì).123、 自動避障小車的軟件設(shè)計(jì).164、 結(jié)論.18參考文獻(xiàn).19基于DSP2407的自動避障小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用和傳感技術(shù)的突破

2、性發(fā)展，基于DSP實(shí)現(xiàn)的控制技術(shù)已被許多系統(tǒng)所采用。由于DSP器件具有較高的集成度，具有比單片機(jī)更快的CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和fifo緩沖器，提供高速同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口，最為突出的是，DSP器件精簡的指令系統(tǒng)(大多數(shù)指令能在一個指令周期內(nèi)完成)、獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間等使其具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，使設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)越的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)成為可能，因此DSP越來越多地被應(yīng)用于電機(jī)控制中。小車避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷

3、探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和

4、障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVGauto-guide vehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實(shí)現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。使用傳感器感知路線和障礙并作出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。 隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展需要，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的傳感器種類也越來越多，其中紅外傳感器已經(jīng)成為自動行走和駕駛的重要部件。避障小車是一種移動機(jī)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避障，一般采用超聲波、紅外、激光、CCD等傳感器設(shè)計(jì)。由于紅外傳感器探測視角小。方向性強(qiáng)，測量精度

5、高，價格便宜，而且可在夜間工作，因此紅外傳感器作為視覺應(yīng)用于移動機(jī)器人避障。本次設(shè)計(jì)是以TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407型DSP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(jìn)行自動避障。紅外的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠(yuǎn)近。設(shè)計(jì)功能概述功能概述 智能小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，分別控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。將三個紅外

6、線光電傳感器分別裝在車體的左中右，當(dāng)車的左邊的傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制右輪電機(jī)停止左輪轉(zhuǎn)動，車向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)車的右邊傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制左輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，車向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面有障礙物時規(guī)定車右轉(zhuǎn)。于此同時測定速度并顯示，在避障小車前進(jìn)的同時從LCD點(diǎn)陣液晶顯示器上顯示小車當(dāng)時速度。在小車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時在顯示器上顯示出左或右。硬件選擇TMS320LF2407芯片簡介TMS320LF240x系列簡介 TMS320LF240x系列是TMS320C2000家族中最新、功能強(qiáng)大的DSP芯片，其中LF2407是最具有革命性的產(chǎn)品，是當(dāng)今世界上集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動控制芯片，特別適

7、合于三相異步電動機(jī)的高性能控制。它與現(xiàn)存240x DSP控制器芯片代碼兼容的同時，240x芯片具有處理性能更好(30mips)、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。TMS320LF2407(簡稱2407)是TI公司專門為工業(yè)控制領(lǐng)域量身定做的一款高性能、低功耗、高性價比的16位定點(diǎn)DSP芯片。2407繼承了TMS320F240x系列芯片在數(shù)字電機(jī)控制(DMC)方面的優(yōu)勢，同時還提供相當(dāng)豐富的外設(shè)資源，是一款相當(dāng)不錯的芯片，為工業(yè)系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)提供了一個很好的解決方案。2407芯片是一款16位定點(diǎn)DSP芯片。它是TI的TMS320LF240x系

8、列芯片的超集，時鐘達(dá)到30MHz(TMS320LF2407A為40 MHz)，片內(nèi)資源包括：2.5K RAM、32K Flash、BOOT ROM、16路10位AD轉(zhuǎn)換器、2個事件管理器(包括16個16位PWM模塊、4個16位通用定時器、6個捕獲單元等)、外部存儲器接口、看門狗模塊、SCl/SPI接口、CAN控制器、PLL電路、40個通用I0口、5個外部中斷口，符合1EEEll491規(guī)范的JTAG接口(便于仿真調(diào)試和最終程序下載)。TMS320LF240x系列主要特點(diǎn)(1)兩個事件管理器模塊eva和evb，為開發(fā)者提供完整的、高效的馬達(dá)控 制方案，提供所有的pwm和io，可以控制所有類型的電機(jī)

9、。 (2) 采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3v，減少了控制器的 損耗；30mips的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時控制能力。(3) 片內(nèi)有高達(dá)32k×16位的flash程序存儲器；高達(dá)2.5k字×16位的數(shù)據(jù)/程序ram；544字節(jié)雙端口ram(daram)；2k字的單口ram(saram)。 (4) 可擴(kuò)展的外部存儲器總共具有192k×16位的空間，分別為64k字程序存儲器空間、64k字的數(shù)據(jù)存儲空間和64k字的i/o空間。 (5) 10位ADC轉(zhuǎn)換器，其特性為：最小轉(zhuǎn)換時間為500ns、8個或16個多路復(fù)用的輸入通

10、道，采集時間和轉(zhuǎn)換時間分開，提高了采樣率和輸入阻抗，并且支持自動順序采樣，不需CPU干預(yù)。(6) CAN總線控制器可以為控制器、傳感器、激勵源以及其它節(jié)點(diǎn)提供良好的通訊，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場和汽車等強(qiáng)噪聲和惡劣的環(huán)境中。 (7) 5個外部中斷(兩個驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩個可屏蔽中斷)。本次課程設(shè)計(jì)采用TI公司的DSP芯片：TMS320LF2407。TMS320LF2407芯片圖如下：圖1 TMS320LF2407智能小車 智能小車可通過簡單的I0控制實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等功能。智能小車分為車體和控制板兩部分，控制板將來自DSP芯片I/O口引腳的控制信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)的驅(qū)動信號以驅(qū)動電機(jī)使車輪

11、運(yùn)轉(zhuǎn)，小車的驅(qū)動和轉(zhuǎn)向由左右兩輪驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，左右輪的驅(qū)動電路是全橋驅(qū)動電路，雙電機(jī)四輪驅(qū)動。小車的工作電壓為直流4-6V，車速是0.6ms電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路

12、結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型保證了簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。傳感器系統(tǒng)方案一：反射式紅外發(fā)射接收裝置，只有物體反射紅外光時才有信號輸入，其信號強(qiáng)度與小車距障礙物的距

13、離成正比。因此可利用信號強(qiáng)度作為避障依據(jù)。紅外探測器的選型與工作方式:1、紅外探測器的選型紅外探測器以其發(fā)射功率大、抗干擾能力強(qiáng)而在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，紅外探測器按其工作模式可大致分為主動式與被動式，主動式紅外探測器自帶紅外光源，通過對光源的遮擋、反射、折射等光學(xué)手段可以完成對被探測物體位置的判別。被動式紅外探測器本身沒有光源，通過接受被探測物體的特征光譜輻射來測量被探測物的位置、溫度或進(jìn)行紅外成像。直流直接驅(qū)動方式裝置簡單但檢測距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而可以大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號的直流

14、或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對復(fù)雜。在本課程設(shè)計(jì)中要利用紅外探測器檢測障礙物的距離，顯然選用主動式紅外傳感器比較合適，系統(tǒng)的造價可以降低可靠性可以提高。主動式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型（如圖2示），分立元件型發(fā)光管與接收管相互獨(dú)立，用戶在使用時可以根據(jù)需要靈活的設(shè)定發(fā)光管與接受管的位置，并可利用棱鏡、透鏡等完成特殊的目的，缺點(diǎn)是裝置麻煩。透射遮擋型和反射型通過塑料模具將發(fā)光管與接收管封裝在一起，非常方便用戶使用，在本題中對障礙物的檢測我使用反射型。紅外發(fā)光管紅外接收管分立元件型透射遮擋型反射型圖2紅外探測器的形式2、主動

15、式紅外探測器的工作方式選取 主動式紅外探測器常用的驅(qū)動方式可分為直流直接驅(qū)動方式和交流調(diào)制方式，直流直接驅(qū)動方式裝置簡單但檢測距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而可以大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對復(fù)雜。方案二：采用反射式超聲波換能器，只有物體反射超聲波時才有信號輸入，測量發(fā)射接收信號間的時間差T2-T1，利用其可以得到障礙物的距離，將該信息送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號改變小車的轉(zhuǎn)向，使小車不與障礙物發(fā)生接觸。該方法適合較遠(yuǎn)

16、距離障礙物檢測。反射式超聲波換能器成本高，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，因?yàn)椴灰髾z測的很遠(yuǎn)，于是選自了反射式光電傳感器，在課題中對前方障礙物的檢測因?yàn)橐髾z測距離較遠(yuǎn)，受到環(huán)境光的干擾比較大，因此我們選用抗干擾能力較強(qiáng)的交流調(diào)制工作方式；而對小車側(cè)面障礙物的檢測由于要求檢測距離較近，外界干擾相對較弱，為簡化設(shè)計(jì)我們選用直流直接驅(qū)動方式。壁障模塊 在壁障模塊中，可以選擇超聲波壁障。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏，距離遠(yuǎn)，受外界干擾小。但是，如果利用超聲波傳感器進(jìn)行壁障的話，由于空間小聲波在小空間不同方向里會進(jìn)行多次反射，左右前后的傳感器之間相互干擾，使控制中心不能明確判斷出那個方位遇到了障礙物，從而動作紊亂，不能實(shí)現(xiàn)要

17、求。使用紅外接收頭和發(fā)射管配合，利用38k頻率解決靈敏度問題。38K調(diào)制和發(fā)射電路。使用一個定時器的快速PWM模式產(chǎn)生38K調(diào)制信號，通過剩余的四個施密特觸發(fā)器（有2個已經(jīng)用在光電編碼部分）緩沖，推動8050三極管和紅外發(fā)光管來發(fā)射已經(jīng)調(diào)制的紅外線。其中2個1N4148接IO腳，控制左右紅外發(fā)光管輪流發(fā)射。后面串接的可見光LED是為了方便用戶調(diào)試而設(shè)臵的，讓用戶知道當(dāng)前是否在發(fā)射紅外線。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，調(diào)節(jié)紅外發(fā)光管的亮度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。利用紅外傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是對近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，不同方位的傳感器之間信號不會相互干擾，造成誤動作。缺點(diǎn)是距離近，易受到自然光

18、的干擾。經(jīng)過兩種傳感器性能對比與題目要求的綜合考慮分析，最終選擇紅外傳感器作為小車的眼睛，進(jìn)行壁障。電源電路的選型方案一：所有器件采用單一電源（6節(jié)AA電池）。這樣供電比較簡單；但是由于電動機(jī)啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機(jī)電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。圖3 穩(wěn)壓電路方案二：雙電源供電。將電動機(jī)驅(qū)動電源與單片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾完全消除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。整體構(gòu)思經(jīng)過方案論證的過程之后，我選定了僅采用LF2407作為核心部件的方案，其

19、系統(tǒng)總方框圖如圖4所示。具體的功能設(shè)置已通過該圖做了直觀的說明。通過主控芯片控制各傳感器輸入的信號，控制方式由軟件來實(shí)現(xiàn)，其中包括六個紅外傳感器用來檢測障礙物，四個傳感器用來檢測側(cè)面障礙，2個檢測前方障礙。還有一個霍爾傳感器用來檢測路程相關(guān)的信號；除了處理這些信號單片機(jī)還通過I/O口控制直流電機(jī)和LED的顯示。在功能和作用上，我分成了四大部分：主控、驅(qū)動、避障和顯示部分。LED顯示模塊（時間、里程）TMS320LF2407側(cè)體左側(cè)紅外傳感器車體右側(cè)紅外傳感器車體左前紅外傳感器車體右前紅外傳感器控制直流電機(jī)驅(qū)動器路程傳感器 圖2-1 系統(tǒng)總原理框圖避障電路（1）障礙物探測方案的選擇 方案一：脈沖

20、調(diào)制的反射式紅外線發(fā)射接受器。由于采用該有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受管的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調(diào)制信號，再品均電流不變的情況下，順勢電流很大（50100mA），則大大提高了信噪比。并且其反應(yīng)靈敏，外圍電路也很簡單。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度。 方案二：采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機(jī)前方有障礙物，如則通知單片機(jī)可以向前行駛。市場上很多紅外光電探頭也都是基于這個原理。這樣不但能準(zhǔn)確完成測量，而且能避免電路的復(fù)雜性。由以上兩種方案比較可知。方案二要比方案一優(yōu)勢大，市場上很多紅外觀點(diǎn)探頭也都基于這個原

21、理。其電路簡單，工作可靠，性能比較穩(wěn)定。從而避免了電路的復(fù)雜性。 避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平；當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物，由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對信號的處理。光電開關(guān)工作原理：光電開關(guān)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。光電開關(guān)在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。避障電路如下：電機(jī)驅(qū)動電路 市場上用很多種類

22、的小電壓直流電動機(jī)，很方便的選擇到。主要有普通電動機(jī)、和步進(jìn)電動機(jī)。 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)的一個顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即是步進(jìn)電機(jī)啟動或反轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的價格比較昂貴，對于我們的現(xiàn)狀相差太遠(yuǎn)。 方案二：采用普通的直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)。能滿足各種不容的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直流電機(jī)價格適宜，更易于購買，并且電路相對簡單，因此采用直流電

23、機(jī)作為動力源本設(shè)計(jì)采用差分放大驅(qū)動使電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而做到前進(jìn)，左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。采用四個大功率晶體管組成H橋式電路，四個大功率晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制使之工作在開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行。該控制電路由于四個大功率晶體管只工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的電路。避障小車設(shè)計(jì)1、自動避障小車總體設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由DSP控制、電機(jī)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。小車為3輪結(jié)構(gòu)，前面2個輪分別由2個電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動控制，后面1個萬向輪作為支撐輪。小車安裝有3個紅外傳感器，分別位于車頭的左、中、右部位，用于采集環(huán)

24、境信息。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)PID控制，從而實(shí)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(jì)該系統(tǒng)以DSP TMS320LF2407為核心，該DSP片內(nèi)資源豐富，具有電機(jī)控制的獨(dú)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IOPE接口的IOPE4、IOPE5和IOPE6。由于光電開關(guān)正常狀態(tài)時信號高電平為5 V，而DSP標(biāo)準(zhǔn)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

25、供電，因此必須將+12 V標(biāo)準(zhǔn)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。采用L298驅(qū)動電機(jī)，0UTl，0UT2分別與小車的一個電機(jī)的正負(fù)極相連；OUT3，OUT4分別與小車的另一個電機(jī)的正負(fù)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(jī)的動作指令，并通過0UTl和OUT2控制左電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，L298的IN3、IN4引腳分別與DSP的IOPE2(方向2

26、)、IOPE3(方向1)引腳連接，用于接收主控器件輸出的驅(qū)動電機(jī)的動作指令，并通過0UT3，OUT4控制前方右電機(jī)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(jī)的速度，其電路原理圖如圖3所示。L298分別控制并調(diào)整前面2個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，控制小車的前進(jìn)、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(dāng)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(jìn)；當(dāng)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(dāng)

27、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(jī)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此判斷速度。電機(jī)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(jì)數(shù)器對脈沖信號上升沿進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。如圖4所示。3、自動避障小車的軟件設(shè)計(jì)DSP每隔一段時間對IOPE4，IOPE5，IOPE6這3個端口進(jìn)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。小車在普通情況下(無障礙物)處于前進(jìn)狀態(tài)，當(dāng)T3定時器發(fā)生周期中斷時，進(jìn)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(jìn)行避障動作，如果沒有障礙物則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并且等待定時器的下一次中斷，其程序流程如圖5所示。調(diào)節(jié)PID參數(shù)不僅可實(shí)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