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近年來(lái)研究移動(dòng)機器人倍受重視，仿照生物功能發(fā)明的各種移動(dòng)機器人越來(lái)越多，小到娛樂(lè )機器人玩具、家用服務(wù)機器人，大到礦產(chǎn)勘測、工程探險、軍事偵察機器人等。避障小車(chē)是一種移動(dòng)機器人，它通過(guò)傳感器系統感知外界環(huán)境，在復雜環(huán)境中自主移動(dòng)并完成避障，一般采用超聲波、紅外、激光、CCD等傳感器設計。由于紅外傳感器探測視角小。方向性強，測量精度高，價(jià)格便宜，而且可在夜間工作，因此紅外傳感器作為視覺(jué)應用于移動(dòng)機器人避障。本設計是以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(chē)，3個(gè)紅外發(fā)收傳感器檢測智能小車(chē)前方的障礙物，并且根據障礙物位置進(jìn)行自動(dòng)避障。 1 自動(dòng)避障小車(chē)總體設計 該系統主要由DSP控制、電機驅動(dòng)、電源、測速以及視覺(jué)等模塊組成，其結構如圖1所示。 小車(chē)為3輪結構，前面2個(gè)輪分別由2個(gè)電機獨立驅動(dòng)控制，后面1個(gè)萬(wàn)向輪作為支撐輪。小車(chē)安裝有3個(gè)紅外傳感器，分別位于車(chē)頭的左、中、右部位，用于采集環(huán)境信息。車(chē)體規格為：車(chē)身板距地7．5 cm，車(chē)長(cháng)25 cm，車(chē)寬12 cm，車(chē)輪半徑5．5 cm。速度控制采用定頻調寬的PWM調速，并應用速度反饋和閉環(huán)PID控制，從而實(shí)現小車(chē)精確的速度和位置控制。 2 自動(dòng)避障小車(chē)的硬件設計 該系統以DSP TMS320LF2407A為核心，該DSP片內資源豐富，具有電機控制的獨特資源，12路脈寬調制(PWM)輸出。視覺(jué)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(gè)紅外傳感器分別接至I／OPE接口的I／OPE4、I／OPE5和I／OPE6。由于光電開(kāi)關(guān)正常狀態(tài)時(shí)信號高電平為5 V，而DSP標準高電平為3．3 V，所以應在光電開(kāi)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電壓供電，因此必須將+12 V標準電壓轉換成+3．3 V。該系統采用LM7805與MAX604作為電源轉換器。12 V電源首先經(jīng)LM7805調壓到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驅動(dòng)電機，0UTl，0UT2分別與小車(chē)的一個(gè)電機的正負極相連；OUT3，OUT4分別與小車(chē)的另一個(gè)電機的正負極相連；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向電機的動(dòng)作指令，并通過(guò)0UTl和OUT2控制左電機的正轉與反轉，L298的IN3，IN4引腳分別與DSP的IOPE2(方向2)、IOPE3(方向1)引腳連接，用于接收主控器件輸出的驅動(dòng)電機的動(dòng)作指令，并通過(guò)0U113，OUT4控制前方右電機的正轉與反轉，而ENA和ENB引腳分別連接到DSP的IOPE0(PWM3)、IOPEl(PWM4)引腳，用于控制電機的速度， 其電路原理圖如圖3所示。 L298分別控制并調整前面2個(gè)電機的旋轉方向，控制小車(chē)的前進(jìn)、后退、向左、向右、停止。由于小車(chē)采用三輪結構，前面2個(gè)輪既是動(dòng)力輪又是方向輪，當INl、IN2、ENA分別為l、0、1，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為0、l、l時(shí)，小車(chē)前進(jìn)；當INl、IN2、ENA分別為1、O、l，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為l、0、l時(shí)，小車(chē)右轉；當INl、IN2、ENA分別為0、1，1，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為1、0、1時(shí)，小車(chē)左轉。 采用測速電機測量電機轉速，以此判斷速度。電機轉速轉換為電脈沖信號，其輸出經(jīng)過(guò)HD74HCl4P(HD74HCl4P內部有若干反相器電路，可完成寄存器復位)，送至DSP的PA3(CAPl)和PA4(CAP2)引腳，根據軟件設置使計數器對脈沖信號上升沿進(jìn)行遞增計數。如圖4所示。 3 自動(dòng)避障小車(chē)的軟件設計 DSP每隔一段時(shí)間對I／OPE4，I／OPE5，I／OPE6這3個(gè)端口進(jìn)行查詢(xún)，沒(méi)有障礙物時(shí)這3個(gè)端口為高電平。即111，左邊有障礙物時(shí)為011，右邊有障礙物時(shí)為110。前方有障礙物時(shí)則為010。小車(chē)根據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的動(dòng)作，如表1所示。 小車(chē)在普通情況下(無(wú)障礙物)處于前進(jìn)狀態(tài)，當T3定時(shí)器發(fā)生周期中斷時(shí)，進(jìn)入程序開(kāi)始檢測光電開(kāi)關(guān)的信號線(xiàn)端口，如果有障礙物則從避障程序中選擇一個(gè)執行(左轉、右轉、后轉)，進(jìn)行避障動(dòng)作，如果沒(méi)有障礙物則小車(chē)繼續前進(jìn)并且等待定時(shí)器的下一次中斷，其程序流程如圖5所示。 調節PID參數不僅可實(shí)現系統穩定。還能兼顧系統的帶載能力和抗擾能力。首先應找出小車(chē)的理想速度，這是PID調節的前提，也是加入測速的原因。由于測速電機測得的是小車(chē)右輪實(shí)際速度。先給小車(chē)右輪電機一個(gè)初始速度，讓小車(chē)以給定的初始速度運轉起來(lái)。然后利用PID算法調速：在給定速度不變的情況下，每掃描一次程序。小車(chē)的實(shí)際反饋速度便與理想速度相比較，利用PID算法便可更新給定值。這樣，不斷更新給定值，直到實(shí)際速度與理想速度保持一致或者到下一次賦值則停止更新(ek=O)。程序流程如圖6所示，圖6中，設右輪給定速度v對應的理想速度為V，僅限右輪電機，b’為給定速度b對應的實(shí)際速度。 4 試驗 避障小車(chē)安裝調試完成后，對小車(chē)性能進(jìn)行測試： 1)小車(chē)的避障能力試驗測試 錯落擺放障礙物，讓小車(chē)向障礙物方向前進(jìn)，當距障礙物約25 cm時(shí)，小車(chē)左轉，然后再向前(左方?jīng)]有障礙物)。試驗發(fā)現小車(chē)的傳感器對亮色反映比較明顯，比如遇到白色障礙物，小車(chē)會(huì )在30 cm外就發(fā)現障礙物并產(chǎn)生動(dòng)作；當小車(chē)遇到黑色障礙物時(shí)，一般約在15 cm時(shí)才能感應到障礙物。 2)PID算法和PWM方法測試 分3次對小車(chē)進(jìn)行測試，每次要求避開(kāi)10個(gè)黑色障礙物。采用不加入PID程序和PWM程序的小車(chē)進(jìn)行測試，小車(chē)3次分別避開(kāi)6、7、7個(gè)障礙物；而采用加入PID程序和PWM程序的小車(chē)進(jìn)行測試，小車(chē)3次分別避開(kāi)9、10、9個(gè)障礙物。試驗表明加入PID算法和PWM方法的小車(chē)在調速方面明顯優(yōu)于不加入程序的，并在遇到障礙物時(shí)和避開(kāi)障礙物后都能夠快速調速，使小車(chē)避障能力大大提高。 5 結論 本文對避障小車(chē)的設計進(jìn)行分析后，提出了在DSPTMS320LF2407技術(shù)平臺上實(shí)現小車(chē)自動(dòng)檢測前方障礙物，并給出躲避動(dòng)作方法。避障車(chē)最終實(shí)現了從無(wú)障礙地區啟動(dòng)前進(jìn)，利用車(chē)體前端傳感器感應前進(jìn)路線(xiàn)上的障礙物后，并且根據障礙物的位置選擇下一步行進(jìn)方向，避開(kāi)障礙物。由于紅外傳感器探測信息有限(只能探測障礙物的有無(wú)，無(wú)法得到距離信息)，不能夠判斷障礙物的距離、大小及形狀等。如果使用攝像頭作為視覺(jué)探測系統，則可使避障小車(chē)性能更好，應用范圍更廣泛。這也是后續研究方向。 |
