基于DSP的履带机器人避障系统研究报告

-目 录摘 要ABSTRACT第一章引言11.1 研究的目的和意义11.2履带机器人避障系统研究的现状及开展趋势11.2.1 国内履带外机器人避障系统的研究现状11.2.2 国内外履带机器人避障路径规划研究现状.71.3 履带机器人研究存在的问题101.4论文各局部内容10第二章基于DSP的履带机器人避障系统硬件原理112.1 系统硬件总体设计方案112.2 履带机器人DSP控制器选择与介绍12TMS320F2812芯片介绍132.2.2 系统外部扩展存储器132.3 传感器的选择与介绍142.3.1声纳传感器142.3.2 航向角传感器162.3.3 速度传感器162.4电机的选择与功率驱动主回路设计172.5硬件系统抗干扰技术192.6本章小结20第三章履带机器人避障方法设计213.1 履带机器人避障控制的总体框图213.2 履带式移动机器人的运动学模型213.3履带式移动机器人的环境建模223.4覆盖式路径规划的数学描述243.5覆盖式路径规划的方法设计253.6轨迹控制算法的设计263.7本章小结27第四章基于DSP的履带机器人避障控制算法的仿真284.1 控制算法284.2避障控制算法的MATLAB仿真304.3本章小结33第五章基于DSP的履带机器人避障系统的软件设计345.1DSP开发环境介绍345.2 避障控制系统程序345.2.1 主程序模块345.2.2 避障模块365.2.3PID模块365.2.4A/D转换模块385.3 本章小结39第六章 结论与展望406.1结论406.2 研究展望40致谢41参考文献42. z-摘 要本文设计了基于DSP的履带式机器人避障系统系统。首先对履带机器人的国内外研究和使用现状进展了较为全面和详实的介绍，从而寻求出该课题的研究方向；同时介绍了机器人的各种避障控制算法。其次，介绍了履带机器人避障系统的总体构造方案设计。为实现整个系统的行走及避障功能要求，对系统控制芯片和车轮驱动电机的类型等进展了选择。确定了以 TMS320F2812DSP为核心控制器，直流电机为主要运动机构的机器人核心局部；同时，设计了机器人的主要硬件构造。本文随后根据控制要求分析了系统所需的硬件构造。搭建了一个基于DSP的机器人控制平台，概括了硬件电路设计中所必须考虑的抗干扰措施。之后阐述了控制系统的软件设计方法。以车轮电机控制采用增量式PID控制算法为重点，介绍了软件控制的总体策略与控制构造，并对仿真结果进展了比较；然后分块介绍各个模块程序与必要的存放器的设置。最后，总结了作者的研究成果，并阐述需要进一步深入研究的工作。关键词：履带机器人，避障系统，自主导航，DSP系统，运动学模型。ABSTRACTThis articledesigned the system which has evaded based on the DSP marching robot bonds.First has carried on more prehensive and a detailed introduction to the caterpillar band robots domestic and foreign research and the use present situation, thus seeks this topic the research direction. Simultaneously introduced robots each kind evades bonds the control algorithm.Ne*t, introduced the caterpillar band robot evades bonds systems gross structure project design. In order to realize overall systems walk and evade bonds the function request, actuated electrical machinerys type to the systems control chip and the wheel and so on to carry on the choice. Had determined take TMS320F2812 DSP as the core controller, the direct current machine for the main motion robot hard core. At the same time, has designed robots main hardware structure.This article has analyzed the hardware architecture which according to the control request the system needs. Has built one based on the DSP robot control platform, summarized the anti-jamming measure which in the hardware circuit design must consider.Afterward elaborated control systems software design method. Uses the differential motion actuation type caterpillar band robot control algorithm takes the wheel motor control as the key point, introduced software controls overall strategy and the control structure, and has carried on the parison to the simulation result. Then the piecemeal introduced that each module procedure and the essential registers establishment.Finally, summarized authors research results, and elaborated that needs further deep research work.Keywords:Caterpillarband robot,Obstacle avoidance, Autonomous navigation, DSP,Kinematics model. z-. z-第一章 引言1.1 研究的目的和意义在人类文明的悠远长河中，我们看到了人类进步的脚印：各种机器的创造大大地减轻了人们的体力劳动；与此同时，电子计算机的创造与推广应用也在很大程度上代替了人们所进展的脑力劳动；而机器人作为二者结合的产物则可以完成许多人类“力所不能及的工作。机器人移动的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开场了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名是名为General Electric Quadruped的步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的开展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开场研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究1。开发和研制建立机器人和传统建立机械的机器人化，是工业机器人和特种机器人开展的必然结果，也是建立机械设备开展的方向。随着改革的深入和科学技术的开展，在全行业的共同努力下，我国在研制和开发建立机器人和机器人化的建立工程设备上必将在二十一世纪取得更大的开展。随着建立施工向高级化方向开展，高等级公路、高层建筑和铁路的施工要求愈来愈高，对建立施工设备的要求也日益上升，目前建立工程设备根本上实现了机械化，但一般多停留在人工操纵、控制上，由于施工过程中，所处理的信息量越来越大，人工控制很难到达建立施工的具体要求。必须提高建立机械的性能和功能，逐步使建立机械向着自动化和智能化方向开展【2】。1.2履带机器人避障系统研究的现状及开展趋势国内外履带机器人避障系统的研究现状1国外履带机器人避障系统的研究现状. z-从1959年美国第一台工业机器人到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的开展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速开展，机器人技术也得到了飞速开展。制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高。开拓了机器人行业的新进展。机器人是人类创造的一种特殊机器,在生产和生活等方面,特别是在危险和极限环境作业中,有着广泛的应用前景。机器人正开展成为一个庞大的家族，代替人们从事各种各样的工作。1足球机器人避障系统障碍物的描述对路径规划算法以及寻找路径的策略有很重要的意义机器人向目标点运动采用的策略是消除机器人在起始点的方向、位置与目标点之间的角度误差和距离误差，所走的轨迹一般为一条曲线，曲率的大小取决于机器人在起始点的方向和目标点的位置，机器人的方向与起始点到目标点的方向一致时，曲率最小，机器人的方向与起始点到目标点的方向垂直时，曲率最大(因为机器人可以正、反两个方向运动)。为了缩小搜索空间，提高搜索速度，将曲率折衷，搜索*围确定为：目标点为G,避障机器人为R,R到G的距离为L,以L为长，以L/2为宽做一矩形，在矩形*围内的任何机器人(R除外)都视为是障碍，则比赛场地中就存在一个障碍物的有限集合(由对方机器人以及我方的除避障机器人以外的机器人组成，用O表示)，O=OR1,OR2,.,ORq其中q为搜索*围内的障碍物个数。采用检验交点数法判断比赛场上的其它机器人是否为障碍物(避障机器人除外)。其算法为3：设机器人的中心点为P，由点P向下引一条与Y轴平行的射线，计算此射线与多边形ABCD的交点数。假设交点数为偶数(包括0)，则P点在多边形之外；假设交点数为奇数，则点P在多边形之内。还有一些特殊情况要加以处理.如P向下作射线时，如与多边形的一边相交于其端点，可以用“左闭右开法，即当一条线段两个端点的*坐标值小于或等于P射线端点的*p坐标值时，就不作射线与该线段的求交点运算.线段DC即属于这种情况，此时端点C虽然与射线相交，但不计人交点。反之，在线段两端点的*坐标值中，只要有一个小于射线的*p坐标值时，就进展求交点运算，DA,AB,BC线段。当射线与多边形*线段重合时，线段DC属于t坐标值小于或等于*p的情况，因此也不做求交点运算。用此方法检验所有的机器人(避障机器人除外)，如果机器人的中心点在ABCD内就认为它是障碍物。这样就确定了执行动作的机器人在其运动区域内是否有障碍物、有几个障碍物、障碍物的、与障碍物的距离等信息4。2蛇形机器人避障系统20世纪90年代初期，日本Hirose教授通过对自然界中蛇运动的长期分析和研究，提出蛇运动是肌肉以谐波振动的方式收缩与松弛的假设，用曲率显正弦变化的曲线来模拟蛇的运动曲线，于1993年制造出第一个蛇形机器人5，其运动曲线方程为：公式1.1式中：根据蛇形机器人构造和运动特点，平面运动的蛇形机器人可以简化为平面连杆模型。蛇形机器人在*OY平面上运动，相邻关节之间的相对转角i(s)为表征运动形状的关节变量，可由公式1.1积分得6：公式1.2式中：从公式1.2中可以看出改变K1的大小，就可以改变运动方向；改变s的大小，则可以改变运动的速度。芮执元等人用蛇形机器人的左右摆动电机来改变K1的大小，即用模糊神经网络来控制蛇形机器人的左右摆动电机，从而到达改变K1大小，躲避障碍物，到达目标的目的7。2国内履带机器人避障系统的研究现状我国的机器人起步较晚，与国外兴旺国家相比还有一定的距离。1可重构履带机器人根据调研发现航空航天大学机械工程及自动化学院的王田苗，邹丹，陈殿生三人在可重构履带机器人方面有以下研究。可重构机器人是由模块化单元组成。模块化的含义是将复杂的系统转变成多个简单的模块组成。优点是有利于系统的设计和分析；同时模块具有即插即用的性能，互换性比较强。他们所设计的机构是由4个具有独立运动能力的根底模块，2个转动关节模块及3个连杆模块组成。机器人的行走机构采用履带式构造，因此具有地形适应能力强，平稳性好等优点，有利于机器人完成复杂地形环境下的侦察任务【8】。a电气连接构造设计电气连接局部的模块化设计为机器人机构的可重构提供了保证。两个根底运动单元模块间的电气连接采用即插即用的构造，分别用航空头连接运动模块的两端，为机器人构造的重构提供了方便。传输线包括485总线的信号线，用于与主控系统之间的控制信息传输；机的信号线，用于主控系统与转动关节模块之间的信息传输；以及两路电源线，分别是24V和8.4V，用于电机和机的供电。b控制系统组成此系统采用分布式控制体系，由主控制系统、电机控制系统、传感器控制系统和云台控制系统组成。当各子控制系统接收到从主控制系统传送来的控制指令后，就独立地完成对模块的控制，同时各子控制系统将机器人本体的信息和传感器监测的信息返回给主控制系统，便于主控制系统的统一决策。如图1.1所示，主控制计算机系统通过无线数传模块直接和远程计算机系统交互。主控计算机系统采用基于ARM7系列微处理器和C/OS-II的嵌入式实时操作系统，具有处理速度快、功耗低、价格低廉等优点，系统支持多任务管理和任务间的同步与通信，能够对多传感器信息进展实时处理，实现自主控制算法，满足侦察作业的需要。对于电机驱动控制采用ATMEGA128单片机系统实现，采用LM629 实现对电机的驱动，实现对直流电机的转速控制和位置控制。传感器的控制和云台的控制分别采用AVR的单片机系统，实现对传感器数据的接收、传送以及对云台的姿态控制。和主控制系统之间通过串行总线RS-485连接。控制系统的这种模块化的设计使得各个局部单独控制，方便调试和功能实现。485总线电机控制系统嵌入式主控制系统传感器控制系统云台控制系统无线通讯电机1电机4传感器1传感器4云台1云台4图1.1 控制系统体系构造2深海履带机器车王随平、陈峰等教授在深海底履带机器车动力学模型方面有如下研究【9】。由于深海底履带机器车的工作环境和自身特性与普通履带车辆有很大不同，主要表现为履带车的低速性(0.5一1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切强度、以及深海底的作业环境，深海底履带车的建模简化条件与普通履带车相比，也应该有所不同。与普通履带车相比，建模条件有以下特点：考虑水阻力：通常地面行走的低速履带车空气阻力可忽略不计，集矿机在1000m深的海底行走，海水的密度比空气大得多，必须考虑海水阻力；忽略离心力：由于集矿机的运行速度很低(0.5一lm/s)，转向时离心力对其作用很小，可忽略不计；考虑推土阻力：1000m深海底为极软的饱和土壤，与地面行驶的履带车不同，集矿机具有较深的压陷深度(15cm)。在如此深的压陷情况下，推土阻力成为集矿机的主要运动阻力之一；考虑履刺的剪切力：为了增加集矿机在1000m深稀软底上的附着力，与普通履带车辆不同，集矿机履带上设计了高130mm、齿距为200mm的尖三角齿。在建模时，履齿与地面的剪切作用必须加以考虑。基于以上考虑，参考陆地履带车辆的动力学原理，我们进展了集矿机工作状态下的受力分析，并最终建立了深海底集矿机的动力学模型。a法向力为了计算法向力，假定履带的两个局部均为刚性水平连接，从而具有均匀的地面压力分布。对应地，地面压力Ph(h =s,i)与压强Ph之间的关系可表述为：公式1.3式中b是履带宽度，Z0为法向单位向量。深海底履带机器车表现为相对宽的履带中间距和较多的小半径值支重轮。当主动轮和从动轮沉陷之差与履带长度相比较小时，履带板的厚度可忽略不计，压强Ph可由经历关系表述为主动轮和从动轮最低点沉陷Zh的函数。德国特丢夫勒根据实验得到海泥的载荷和压陷的半经历公式为【10】：公式1.4式中，为压陷；e、f为压强与沉陷系数，可同样由以下经历确定：公式1.5式中，为海泥的剪切强度。b牵引力由于深海底的特殊环境，该履带车具有高130mm、齿距d为200mm的窄尖三角齿；同时，设计的土壤剪切深度深达180mm。因此，总牵引力由履带剪切土壤产生的牵引力F，和窄尖三角齿剪切土壤产生的牵引力凡之和构成。履带牵引力的幅值F，由地面剪切应力提供，假定沿车体行进方向剪切压力为均匀分布，则可表述为剪切压力沿接触面积的积分：公式1.6而剪切压力又能表述为剪切位移和法向压力的函数.对大多数的扰动土壤，有以下关系式：公式1.7式中，p为法向压力，c为土壤的内聚力，为土壤的内摩擦角，K为土壤的水平剪切模量，表征土壤到达最大剪切应力时的变形值。由塑性平衡理论，可计算单个履刺的牵引力：公式1.8式中，b2为履刺的宽度，实际等于履带的宽度b，s为土壤比重，hb为履刺高度;,称为土壤流值。履刺产生的牵引力可表述为：公式1.9式中n=1/d,为与地面接触的履刺的个数。c运动阻力履带车的运动阻力可以分成内力和外力两个局部内阻力主要分布在履带一悬挂系统，由履带板间、驱动轮齿和履带、支重轮轴的摩擦损失以及支重轮和履带之间的转动阻力构成。内力的表现形式复杂而多变，不可能给出准确的分析和预测，常常用经历公式给出内阻力和速度之间的线形近似关系，同样本文也是将内力近似为作用在主动轮轴上的线性粘性转矩。外阻力主要产生于车辆一地面的相互作用，主要表现为海泥的压实阻力和海泥的推土阻力，以及深海环境中的海水阻力。对地面的挤压作用，对车体的运动性能有较大的影响。假定法向载荷沿履带长度均匀分布，则履带的沉陷量可由压力一沉陷量方程预测。3履带式推土机由于履带机器人与履带式推土机的工作原理有相似之处，所以下面对履带式推土机进展调研。a驱动控制的实现条件推土机的最大牵引力一方面取决于发动机的输出转矩(另一方面受地面附着条件的限制)推土机最正确生产率的发挥由其最大的履带牵引力决定【11】。推土机作业时，其主要的受限形式是履带的打滑。推土机工作时必须满足驱动条件和附着条件：公式1.10式中：b牵引力、附着系数与滑转率的关系不同地面条件产生的附着系数是有差异的，在不同地面条件下的履带牵引力与其滑转率的关系如下。在附着系数一定，履带滑转率S=0时，推土机的牵引力与推土机重量的比值最大；滑转率从0开场增加时，附着系数随之增加；当履带滑转率S=0.10.2时,附着系数到达最大；如果滑转率继续增加,附着系数开场下降。当履带滑转率S到达100%时，履带发生完全滑转!推土机不能工作，此时推土机牵引力的比值下降很快。推土机作业负载阻力过大时，履带发生滑转，推土机的行驶速度由于履带的滑转而降低。履带的瞬时速度推土机机身瞬时速度及滑转率S具有如下关系：公式1.11国内外履带机器人避障路径规划方法研究现状履带机器人属于移动机器人的一种。路径规划问题是机器人学中很重要的一个方面。路径规划的研究对象可分为关节式机械手和移动式机器人。一般来说，前者具有更多的自由度，而后者的作业*围则更大一些。就最简单的形式，路径规划问题可以按如下定义：在有障碍物的工作环境中，如何寻找一条从给定起点到终点适当的运动路径，使机器人在运动过程中能平安、无碰地绕过所有障碍物。移动机器人路径规划主要解决三个问题：(1)使机器人能从初始点运动到目标点；(2)用一定的算法使机器人能绕开障碍物，并且经过*些必须经过的点；(3)在完成以上任务的前提下，尽量优化机器人运行轨迹。根据工作环境路径规划可分为两种：环境信息的静态路径规划，又称全局规划；环境信息未知或局部未知的动态规划，又称局部规划。后者更具有实际意义，因为现实环境中的障碍物很可能是运动规律未知的运动物体。动态环境中的路径规划比静态环境下的规划复杂得多。目前国内外路径规划的主要算法有：1人工势场法12 人工势场法是由Khatib提出的一种虚拟力法，其根本思想是将机器人在环境中的运动视为一种虚拟的人工受力场中的运动。障碍物被排斥势场包围，对机器人产生斥力，排斥力随机器人与障碍物的距离的减少而迅速增大；目标被引力势场包围，对机器人产生引力，吸引力随机器人与目标的接近而减小。引力和斥力的合力作为机器人的合力，来控制机器人的运动方向，使机器人绕过障碍物朝目标前进。该法构造简单，便于低层的实时控制，在实时避障和平滑的轨迹控制方面，得到了广泛应用，其缺乏在于存在局部最优解，容易产生死锁现象，因而可能使移动机器人在到达目标点之前就停留在局部最优点。为解决局部极小值问题，已经研究出一些改进算法，如Sato提出的Laplace势场法13。改进算法是通过数学上合理定义势场方程，来保证势场中不存在局部极值。2栅格法14 栅格法将移动机器人工作环境分解成一系列具有二值信息的网格单元来记录环境信息，有障碍物的地方累积值比较高，移动机器人就会采用优化算法避开。栅格法表现出良好的性能，受到重视并有很好的开展前景，但该方法存在着环境分辨率与环境信息存储量的矛盾。3自由空间法15, 16 这是一种经典的路径规划方法，它把机器人所在的环境空间分成两局部，即自由空间和障碍物空间。机器人在自由空间中找到一条按*种性能指标规划出来的平安路径。其优点是比较灵活，起始点和目标点的改变不会造成连通图的重构，缺点是复杂程度与障碍物的多少成正比，且有时无法获得最短路径。4模糊逻辑算法17 19 模糊逻辑的根本原理：模糊控制是智能控制的一个十分活泼的研究与应用领域，也理所当然成为机器人路径规划的一种重要方法。扎德于1965年提出的模糊集合成为处理现实世界各类物体的方法。此后，对模糊集合和模糊控制的理论研究和实际应用广泛开展起来。模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制的价值可从两个方面来考虑。一方面，模糊控制提出了一种新的机制用于实现基于知识规则的控制规律。另一方面，模糊控制为非线性控制器提出了一个比较容易的设计方法，尤其是受控对象或过程含有不确定性而且很难用常规非线性控制理论处理时，更是有效。由于模糊逻辑控制控制具有符合人类思维的习惯，不需要建立准确的数学模型，易于将专家知识直接转换为控制信号等优点，已成为移动机器人路径规划的一种重要方法。在用模糊控制的方法规划机器人路径时，往往要对机器人自身带的传感器获取的信息进展模糊化处理。比方，参考人的驾驶经历，模糊控制器先对声纳的距离信息进展模糊化处理，然后归纳出一组规则，通过模糊集理论把这些规则变为有效的规划角度和平移距离。该算法的优点是算法直观，容易实现，能方便人的经历融合到算法当中，计算量不大，能满足实时性的要求。和其它应用一样，利用模糊逻辑解决局部路径规划问题，需要根据问题的领域和知识来总结每一条规则。另外，由于实际环境的复杂性，一方面很难预见到所有可能的情况，另外对于多输入、多输出的模糊系统要穷尽其所有规则也是一个复杂、困难的过程。因此，让机器人自行学会模糊规则是极为必要和有实际意义的。进化计算是一类模拟生物界进化规律机制来求解问题的自组织、自适用人工智能技术，其中以遗传算法运用最为广泛。由于其直接以编码作为运算对象，对目标函数无特殊要求，具有全局收敛性、隐含的并行性和鲁棒性等特点，对于传统搜索方法难以解决的问题具有良好的适用性。一些研究人员已经将遗传算法用于模糊规则的设计，以及模糊控制器隶属度函数和参数的优化等。模糊逻辑控制器的缺点是：当环境很复杂时，总结出的规则难以面面俱到，很难构造出比较全面的知识库，构造，调整和修改规则知识库比较难；需要花费大量的时间来调整和修改已构成的知识库。如果输入量与知识库不匹配，就无所适从，不具备适用能力，也就是缺乏泛化能力。5 神经网络20, 21 神经网络的根本原理：人工神经网络是由大量简单的神经元相互连接而形成的自适用非线性动态系统。人工神经网络的研究可以追溯到上个世纪40年代，但其理论和应用的真正突破则来自于80年代初Hopfield的两篇关于神经网络的研究论文，它们奠定了神经网络软件描述、硬件实现的根底。1986年Rumelhart和Mccleland提出了多层网络的前馈学习算法，即BP算法，该算法从后向前修正各层之间的连接权值，可以求解感知机无法解决的问题，人工神经网络控制由此开展起来。神经网络在移动机器人路径规划上的应用：环境是一个很复杂非线性的系统，不同的环境很难用准确的数学模型表示出来，神经网络具有任意逼近准确函数的能力。用神经网络对环境信息进展分类和识别，然后建立机器人工作空间动态环境信息的神经网络模型。并利用该模型建立机器人动态避障与神经网络输出的关系。神经网络具有较强的学习和适用能力，但获取具有代表性的训练样本不容易。6 遗传算法22, 23 一种借鉴生物界自然选择和自然遗传机制的随机搜索算法，由于它具有简单、强健、隐含并行性和全局优化等优点，对于传统搜索方法难以解决的复杂和非线性问题具有良好的适用性。应用遗传算法解决自主移动机器人动态环境中路径规划问题，可以防止困难的理论推导，直接获得问题的最优解。但存在早熟收敛问题。7 滚动规划24 国内学者席裕庚借鉴预测控制中滚动优化原理，提出了动态不确定环境下基于滚动窗口的机器人路径规划算法，该法利用机器人实时测得的局部信息，以滚动方式进展在线规划，实现了优化与反响的合理结合，具有良好的避碰能力。但容易产生死锁，且动态环境下的障碍物运动规律必须。1.3履带机器人研究存在的问题机械制造业在兴旺国家中根本上实现了机电信一体化。建立机械电信一体化、机器人化较之机械手技术更为复杂和困难，主要表达在以下几个方面：1由于建立施工作业中每一个具体操作的内容和要求都是不确定的，实现建立施工自动化，就要求设备具有人的感觉、认识和判断能力，成为智能机械，具有自我适应作业对象和环境变化的能力。因此采用一般的自动化技术是不够的，唯有采用智能化控制技术，目前智能化控制技术理论比较成熟，在一些高科技领域得到了应用，但由于建立施工设备工作环境的不确定性，其控制系统的复杂程度使这些技术的应用还有待于研究和开发。2建立机器人的研制和开发，要用到机、电、光、声、化学以及生物等多学科的知识，须将多种技术组合后进展信息处理，如何把各种技术组织成一个成熟的信息系统也是一个相当大的问题。3建立机器人多是大型设备，其输出功率大，一般都采用液压、液力传动，对元器件的要求相当高。而且建立机器人的工作条件恶劣，环境温度变化很大，阳光、雨雪、尘埃、潮湿等严酷的工作环境以及强烈的振动和冲击对系统的元件影响很大，国内相关元件的质量还有待提高，对实现建立机器人的国产化是一个不利因素。1.4 论文各局部内容本论文在第一章简单的介绍了目前对于履带机器人避障控制技术的研究现状，针对国内外做了分开的研究。第二章将会介绍基于DSP的履带机器人避障系统的硬件原理。第三章主要描述了履带机器人避障的方法设计。对于履带机器人的控制算法及仿真将会在第四章设计与介绍。第五章就是系统的软件设计了，通过对主控制器编写程序来控制履带机器人的避障行为。对于第六章将描述这一课题的结论，并写出来本人对未来履带机器人的前景展望。第二章 基于DSP的履带机器人避障系统硬件原理通常，一个完整的履带式移动机器人系统应包括移动机构、控制系统、通讯系统、传感系统等局部。由于本论文中的研究还处于初级阶段，系统配置尚不齐全，因此，移动机器人只包括移动机构和控制系统两大局部。其中，移动系统由车架、履带和轮系组成。因移动系统的机构设计不在本文的研究*围之内，故不再做进一步的介绍。控制系统局部由步进电机、驱动器、控制器、仿真器及控制软件系统等构成。下面将对控制系统的各局部逐一进展介绍。2.1 系统硬件总体设计方案本设计的履带轮控制系统采用DSP作为主控制器，由此可以构建机器人运动控制系统，如图2.1所示:转速反响ADC ADCCAP EVAPWM16TMS320F2812PWM712EVBCAP ADC ADC信号检测电路功率驱动电路功率驱动电路右轮电机光电隔离辅助电源主电源光电隔离左轮电机电流反响转速反响转速检测电流检测电流反响电流检测转速检测磁通门罗盘声纳传感器信号检测电路图2.1 系统运动控制总体框图1控制器控制器模块设计主要是组成DSP最小系统，包括时钟、复位电路、外部存储器电路、JTAG接口等。DSP强大的功能使其能满足嵌入式智能控制单元的设计要求，处理速度快且具有大量可编程的外设接口，能灵活实现与外界通信。2信号隔离从控制器接收车轮电机 PWM驱动控制信号，并通过光电隔离，实现了对控制器的隔离保护，提高了电路的抗干扰性与可靠性。3功率驱动机器人的电机驱动模块具有欠压保护，过流保护和故障输出功能。大大的简化了电路的设计，增强了系统的可靠性。功率元件主要由与非门、电阻、晶体管、续流二极管组成，对从信号隔离模块输入的控制信号进展运算放大，转换成电机的驱动信号，从而驱动直流电机运转。4检测模块该模块主要采集反响信号，由电流检测和电机转速检测模块组成。电流检测的方法有电阻检测、霍尔电流传感器等各种不同的方法，本系统采用了霍尔电流传感器检测。将电流信号转变成电压信号再经过放大和滤波以后将反响信号变化为压3V的电压信号送到DSP的A/D采样单元。电机测速局部由一个霍尔开关和信号放大电路组成。霍尔开关采集转速值，经整形、放大输出，直接输入到DSP的捕获引脚，捕获单元在捕获引脚上出现跳变时使能触发，通过计数定时器对负脉冲计数，得出电机转速信号，从而计算出电机的转速。2.2 履带机器人DSP控制器的选择与介绍履带机器人DSP控制器的设计是机器人控制系统的核心局部，系统的构造框图如以下图。其硬件控制电路主要包括DSP控制芯片TMS320F2812，地址总线驱动芯片LVC16244，同时也可作为电平转换芯片使用，数据总线驱动芯片LVC16245，CAN总线驱动芯片UC5350，外部扩展存储器IS6lLV6416，串口通信转换芯片MA*232，以及复位、时钟单元，电源转换单元。DSP控制器TMS320F2812电平转换单元LT1086外部扩展RAM IS61LV6416复位、时钟单元电源转换模块JTAG接口SCI串口驱动MA*232地址总线驱动LVC16244数据总线驱动LVC16245CAN总线驱动UC5350图2.2 DSP控制器最小系统组成框图TMS320F2812芯片介绍本系统采用的TMS320F2812芯片是美国TI公司新型研制的面向电机控制、工业控制的一款带片内Flash的32位定点DSP。该芯片将实时处理能力和控制器外设功能集于一体，为控制系统应用提供了一个理想的技术平台。具有本钱低，功耗小，改进的并行构造，高性价比的优点，在与现有的C240*系列DSP芯片代码兼容的同时，还具有灵活的指令集，更快的运算速度，更高的外设集成度，更大的数据程序存储量，更准确快速的A/D转换等主要特点，成为信号处理及控制应用技术的理想选择。其主要资源和性能指标如下：132位定点处理器，供电电压3.3v，150MHZ的高主频，系统周期为6.67ns的处理速度，运算速度可达15OMIPS，支持双16*16乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能；2采用经典哈佛总线构造，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转换数据，使之可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性；3内部存储器包括128K*16bit的内部Flash，18K*16bit的内部SARAM;可外扩1M*l6位的程序和数据存储器，存储器统一编址，其寻址空间达4M；4中断资源丰富，可支持45个外设级中断和3个外部中断，提取中断向量和保存现场只需9个时钟周期；5拥有双事件管理器EVA和EVB，分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CA卫、2路16位定时器。事件管理器适用于控制交流电机、直流电机、开关磁阻电机，步进电机、多极电机和逆变器等；6拥有两个SCI口和一个SPI口，增加了数据缓存功能，此外串行通讯模块还包括增强的eCAN总线和1个增强型多通道缓存串口，能满足多种通讯的需要；716通道12位的ADC模块，可设置多种采样方式，内部含两路采样保持器，一个转换单元，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80ns。TMS320F2812强大的功能使其能满足嵌入式智能控制单元的设计要求，比起TMS320C240*系列来讲，各项性能指标都有了显著的提高，提供了足够的处理能力，使一些复杂的实时控制算法的应用成为可能。2.2.2系统外部扩展存储器DSP芯片内部具有18K的SARAM和128K的Flash可以擦写，但是不支持在线调试，调试过程中如果每次都使用专用的Flash烧写插件将程序存入闪存，不仅操作麻烦，而且损坏了闪存的寿命，所以本最小系统板上外扩了两片零等待周期的研K数据存储器RAM，芯片型号为ISLV6416，提供总共128K的外部存储器。在系统开发过程中，内部的存储器往往要优先使用，这样可以能够能好的提高系统的运行效率。此外，外部存储器的速度要受等待周期的影响。F2812能够内部产生外部接口的等待周期。片外等待周期由片内等待产生存放器确定。为了能够获得零等待的存储器接口，系统必须正确的配置等待存放器。也可以通过外部ready信号来产生等待周期。外部存储器接口译码通过*C95144*L来完成。A0A15D0D15/CE/WE/OE/LB/UBA0A15D0D15/CS/WE/RDTMS320F2812ISLV6416图2.2 DSP外部扩展RAM原理图ISLV6416是ISSI公司生产的64K*16位高速CMOSRAM。3.3V电压供电，低功耗设计，三态输出，静态操作，无需时钟信号或刷新。F2812的存储器采用统一编址方式，存储器由两种配置方式：一种是DSP工作在计算机模式并且启动内部的B00T模式，此时可以选择从内部的Flash运行程序；另一种是内部的Flash被屏蔽并且*DTF ZONE7空间被使能。2.3 传感器的选择与介绍 声纳传感器 声纳传感器2527是利用超声波原理研制成的超声波是一种震动频率高于声波的机械波。由换能晶片在电压鼓励下发生震动产生，它具有频率小，波长短，方向性好，能够射线定向传播。脉冲式声纳传感器信号处理简单，价格低，被广泛用在机器人测距避障，定位导航等。通过测量由发射到接收所经过的时间以及超声波在空气中传播的速度来测得机器人到障碍物的距离。测距原理如图2.3所示。图2.3 600系列声纳传感器测距原理图传感器即是超声波发射器，又是超声波承受器，发射的超声波频率为50kHz。静电换能器是一个圆形的薄片，在发射超声波的时候，将电能转换为超声波能，接收超声波的时候，将超声波能转换为电能。薄片的材料是塑料，其正面涂有一层金属薄膜，反面有一块铝制后板，如图2.4所示。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率50kHz，电压峰值为300V的方波电压时，薄片以同样的频率震动，产生频率为50kHz的超声波。传感器内有一个调谐电路，当接收回波时，只有频率接近50kHz的信号才能接收，其他的频率信号则被过滤，计时和距离计算需另外硬件电路和软件来实现。图2.4 600系列传感器机械原理图声纳传感器最主要的测距方法是渡越时间法TOF(time of flight)。即声波从发射到碰到前方障碍物之后被接收到所经历的时间间隔。依据的原理是声波与目标之间的距离与声波在声源与目标之间的传播的时间成正比。这种方法对对象的材料性质依赖较小，并且不受电磁波、粉尘等干扰。障碍物与传感器之间的距离可以通过下式来计算：公式2.1 式中：机器人到障碍物的距离(m) 声波往返传播时间(s) 声波在介质中传播速率(m/s)在空气中声波传输速率为：公式2.2为环境摄氏温度，在测量精度不是要求很高的情况下，可以认为为常数。航向角传感器测定集矿机航向角的是磁通门罗盘，是在磁通门场强计的原理上研制出来的。它与磁罗经罗盘、电位计罗盘相比，其主要特点是：灵敏度高、可靠性好、体积小、起动快、重量轻、构造简单，适于测弱磁。磁通门罗盘测角系统主要由检测头和电路处理两大局部组成。检测头置于地磁磁场中，其测量绕组中偶次谐波的大小和相位就分别反映了地磁磁场的方向，将此信号加以鉴别并通过计算机运算，就能检测出罗盘载体相对于地磁磁场的方向，从而测定集矿机的航向角。 速度传感器履带机器人速度传感器采用磁接近开关传感器，它的构造如图2.5所示。齿盘转动，齿盘中的齿和间隙交替通过永久磁铁的磁场，从而不断改变磁路的磁阻，通过磁阻的改变而使磁通量发生变化，感应出一定幅度的脉冲电势，该脉冲电势的频率等于磁阻变化的频率，其频率跟旋转体的转速成正比。测量精度和齿盘的齿数有关，齿数越多精度越高。脉冲信号检测方法有两种：检测脉冲宽度和脉冲频率。由于深海集矿机速度在01m/s的*围内，较慢，因此，采用检测脉冲宽度的方法。线圈永久磁铁磁盘图2.5 磁接近开关安装示意图履带机器人测速原理如下：把磁接近开关传感器作为变送器，安装在左右两条履带驱动轮轴上(如图2.6，当驱动轮带动履带行走转动时，固定在其上的导磁探测杆同步转动，顺次通过磁接近开关，发出开关量速度检测信号。驱动轮转动的快慢，决定了导磁探测杆经过磁接近开关的时间间隔。驱动轮每转一圈，传感器产生15个脉冲，每个脉冲走的距离一样，都是十五之一周长。而每个脉冲时间不一样，每个脉冲时间通过检测每个脉冲宽度得到，这样，一个脉冲时间内集矿机走的距离十五之一周长除以一个脉冲时间即得履带速度。543211导磁探测杆 2履带驱动轮 3磁接近开关 4支撑轴 5信号线图2.6 磁接近开关传感器原理2.4 电机的选择与功率驱动主回路设计车轮电机功率驱动主回路主要由驱动模块和检测模块等局部组成，由于机器人有左右两组电机，可以设计利用DSP的两个事务管理器模块分别控制两组电机。信号隔离电路直流电机是感性负载，工作电压一般在12V-40V，高DSP电压，因此DSP与功率驱动电路间要有隔离电路。本系统采用光电祸合器来完成信号的隔离，以防止前后两级信号产生相互干扰。车轮电机功率驱动模块设计机器人的车轮电机驱动模块主要由电源、两组功率驱动单元组成，分别用来控制左右两组车轮电机。采用双极性PWM驱动H桥构造电路。以其中一组为例，F2812的EVA模块产生四路PWM信号，经光电隔离电路隔离后进入功率驱动电路，功率驱动电路由4组功率元件组成(分别包括与非门、电阻、晶体管、续流二极管)，采用H全桥构造。当PWMI和PWM4为低电平，PWMZ和PWM3为高电平时，Tl、T4饱和导通而孔、T3截止，电流从Tl流向电机再流向T4，电机正转;反之，当PWMI和P认叭科为高电平，PWMZ和PWM3为低电平时，电机反转。同理两组功率驱动电路分别接收EVA和EVB传送的PWM控制信号，驱动左右轮电机运转。TMS320F2812含2个专门针对功率驱动保护的中断TICTRIP/PDPINTA和T3CTRIP/PDPINTB，在本系统中作为电机故障保护信号输入端。当系统出现IPM故障、系统过压、系统过流中任何一种故障时，必须把保护信号经过逻辑处理后与DSP的PDPINT管脚相连，使TICTRIP/PDPINTA信号变为低电平，DSP将做相应的中断处理，立即自动封锁输出的4路PWM脉冲及停顿运行，防止电机进一步被烧坏。直流电机测速电路原理F2812内部事务管理器EVA、EVB分别有3个捕获单元CAP*，用于记录捕获输入引脚上的跳变。电机测速局部由一个霍尔开关和信号放大电路组成。与电机同轴的转盘上装有两块的强力磁钢，它们的磁极性相反，以保持转盘的平衡并保证转盘每转一周，霍尔开关只导通一次。霍尔开关平时输出为正电压，当转盘上的磁钢与霍尔开关正对时，输入磁感应强度，霍尔开关输出负电压，经整形、放大输出，直接输入到DSP的捕获引脚，捕获单元在捕获引脚上出现跳变时使能触发，通过计数定时器对负脉冲计数，得出电机转速信号，从而计算出电机的转速。对于EVA而言，由于CAPIAP3用来检测电机的转速信号，因此计数时基可以由EVA定时器2产生;PWM1PWM4用来输出4路PWM脉冲给电机，因此可以由EVA定时器1提供时基。系统测速电路原理图如图2.7所示。其中，3144为霍尔开关，整形、放大由LM358完成。第一级358作为比较器使用，第二级作为电压跟随器，输出为数字电压负脉冲。图 2.7系统测速电路原理图电流采样电路TMS320F2812中的ADC转换器是一个带有16通道的12位擞数转换器，可配置为两个独立的8通道模块，方便为EVA和EVB效劳。ADC以任务为单位进展转换，在一个任务中转换的通道通过两个排序控制散SEQI和SEQ2)选择，转换结果保存在16个结果存放器ADCRESULT0ADCRESULT15中，DSP可以单独结果存放器。对于采用PWM调制波控制的电机系统，在采用电流信号中会含有脉动成分，需要对电流检测信号进展滤波，硬件滤波器常见的是由RC电路构成的低通滤波器。在该系统中，采用一个旁路电阻对电机电流进展采样，电流采样电路原理图如以下图所示。其中输入端是来自采样电阻的压降信号。将检测到的信号，经过阻容低通滤波、电压跟随器及放大环节(运算放大器选用UM358)，反响到ADC的输入引脚ADCSOC，DSP内部的ADC转换器将模拟信号转换为数字信号，并在DSP内部进展处理。因为ADC接口只能承受压 3.3V电压，所以在电路的电压放大环节后面增加了正负限幅电路，主回路电流的检测由霍尔元件完成。图2.8系统电流采样电流原理图2.5硬件系统抗干扰技术系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。如果抗干扰性不好，将引起诸如测量数据精度不够、所测数据值不稳定、系统电压偏移无法正常工作以及可能导致系统软件无法运行等问题，甚至还会造成元件损坏。为了减小系统在特定的环境中受到的电磁干扰，保证系统的稳定运行，应从以下几个方面进展抗干扰设计。2.5.1电源的抗干扰设计控制电源的稳定性对控制电路的稳定性至关重要。本研究课题的控制电路有多种电源类型：+24V模拟信号电源；+5V数字信号电源；+3.3V、+l.5V控制器供电电压；+15V运放电路供电电源。任何电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰。同时为了消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压，防止受磁场和地电位差的影响，为此，控制电路的电源设计中应当采取了以下措施：1强电局部与弱电局局部开布置，自成系统，中间使用高速数字光祸隔离。2在系统的弱电局部将模拟地、数字地、电源地等分开，并使用较多的接地线以减小或者消除各个模块间存在的地线电位差，最后才在一点将它们连接。防止模拟电路中的干扰信号窜入数字电路。3对于F2812，采用DC/DC模块电源单独供电，减小主电路对DSP的影响。4对模拟信号的采样采用高速、精细线性光藕隔离。5电源局部并联多只0.1F电容，滤除从电源传入的干扰，对同一芯片尽量减小电源线与地线的距离。6集成器件的电源输入端就近使用祸合电容，防止电源层电平扰动。7电源线的布置除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致，将有助于增强抗噪声能力。2.5.2PCB的抗干扰设计在控制电路的印刷电路板 (PCB)上模拟、数字、放大电路等不同电路之间存在相互的电磁干扰。同时，印制线的电感成分产生的噪声电压也不容无视。通过PCB线路的合理设计可以有效地抑制电磁干扰，提高系统的可靠性。本文控制电路PCB的线路设计遵循以下原则：1根据电路功能要求，按功率大小、信号强弱与性质等因素，进展分区布置，尽可能将强弱电信号分开，将数、模信号电路分开，完成同一功能的电路应尽量按电路工作顺序排列，安排在一定的*围内，从而缩短引线并减小信号环路面积；2各局部电路的滤波网络必须就近连接，以减小辐射和被干扰的几率，提高电路的抗干扰能力；3使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致；4所布信号线应尽可能短，并尽量减少过孔数目，同时，信号线应尽量靠近地线，信号线之间布局垂直，并远离大电流信号线及电源线；5各模块之间最好能以地线进展隔离，防止相互之间的信号祸合效应；6不相容的信号线应尽量相互远离，而且尽量防止平行走线，PCB正反两面的信号线应相互垂直。2.6本章小结本章介绍了设计所用到的硬件局部的性能和特点。履带式移动机器人的控制系统主要包括：控制芯片DSP，变压器，电机和电机的驱动电源等控制部件。其中，控制芯片TMS320F2812，是一个高性能的DSP内核和其片内外围设备集成的一个芯片，有着很好的控制精度，能很好地实现对机人路径的实时控制。.