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DSP和模糊控制寻线行走机器人设计方案
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2017-11-04
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基于DSP和模糊控制的寻线行走机器人设计与实现
2008-06-17 11:02:58 来源：电子技术应用 作者：侯少云 曹卫华 吴敏 桂卫华 何艳丽 中南大学
分享到：标签：机器人 传感器 DSP 模糊控制 单片机
在最近的机器人比赛和电子设计竞赛中，较多参赛题目要求机器人沿场地内白色或黑色指引线行进。一些研究人员提出了基于寻线的机器人设计策略，主要是关注指引线的检测，但对于机器人的整体设计未做说明。本文在总结此类赛事的基础上，提出了一种将DSP（Digital Signal Processor）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）作为核心处理器，采用模糊控制策略处理来自检测指引线传感器信号的机器人行走机构的通用性设计方法。
1 车体机械设计
由于机器人比赛对参赛机器人有严格的尺寸限制，需要在有限的空间内合理安排各个机构。本文给出车体最小尺寸时驱动轮、光电传感器以及控制芯片之间的相对位置，如图1所示。
机器人采用双直流步进电机驱动方式，其额定电压为24V。车体的前后端分别安装光电传感器检测板实现指引线的检测。相邻光电传感器距离略小于指引线宽度，保证同时有两个传感器可以检测到指引线。
2 硬件电路设计
这部分主要介绍核心控制器DSP与功能扩展芯片CPLD的连接，简要介绍其它功能模块的硬件实现。系统整体结构如图2所示。
2.1 核心控制器设计
目前，机器人核心控制器多选用单片机。笔者考虑到单片机指令周期长、可用资源少，难以满足机器人实时控制的要求，在综合性价比、开发周期等因素后，核心控制器选用TI公司的电机数字控制专用DSP——TMS320F240（以下简称′F240）。它具有运动控制非常有效的事件管理器，其中包括12路比较/PWM通道，可以非常方便地控制直流电机转速；利用其片内的3个可以工作于6种模式的16位通用定时器，可以完成机器人绝大部分动作的控制；16个10位A/D转换器可以方便地读取模拟信号。由于机器人指引线检测模块返回信号可看作反馈信号，因此机器人驱动电机选用步进电机。通过设置′F240定时器，利用I/O端口输出设定脉冲信号，该信号经步进电机驱动电路使步进电机行进设定距离。具体实现在软件设计部分介绍。′F240的其他片内I/O、PWM端口、A/D都引出输入输出线，方便扩展功能的实现。
从′F240的特点可以看出，′F240可用于实现复杂控制算法和进行复杂的机器人动作控制。然而根据车体设计方案，需要在车体上安装20个光电检测传感器，占用控制器的20个I/O端口。这样，′F240可用于扩展功能的I/O端口大大减少。机器人在比赛中会有比较剧烈的撞击，如设计各种功能数字电路会严重降低控制板的可靠性。此处选用Altera公司的EPM7128作为核心处理器的扩展、模糊控制的输入。为满足DSP与CPLD之间的协同处理，′F240与EPM7128可采用如图2所示的电路连接。′F240的16根数据线和A12～A15共4根地址线连到EPM7128，通过选择信号、写信号和读信号完成对EPM7128的读写操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+PlusⅡ编程环境下通过软件和硬件管脚设置实现。这种DSP＋CPLD的结构可以在充分扩展系统功能的同时，使DSP更能发挥其运算功能强大的特点［4］。
2008-06-17 11:02:58 来源：电子技术应用 作者：侯少云 曹卫华 吴敏 桂卫华 何艳丽 中南大学
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在最近的机器人比赛和电子设计竞赛中，较多参赛题目要求机器人沿场地内白色或黑色指引线行进。一些研究人员提出了基于寻线的机器人设计策略，主要是关注指引线的检测，但对于机器人的整体设计未做说明。本文在总结此类赛事的基础上，提出了一种将DSP（Digital Signal Processor）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）作为核心处理器，采用模糊控制策略处理来自检测指引线传感器信号的机器人行走机构的通用性设计方法。
1 车体机械设计
由于机器人比赛对参赛机器人有严格的尺寸限制，需要在有限的空间内合理安排各个机构。本文给出车体最小尺寸时驱动轮、光电传感器以及控制芯片之间的相对位置，如图1所示。
机器人采用双直流步进电机驱动方式，其额定电压为24V。车体的前后端分别安装光电传感器检测板实现指引线的检测。相邻光电传感器距离略小于指引线宽度，保证同时有两个传感器可以检测到指引线。
2 硬件电路设计
这部分主要介绍核心控制器DSP与功能扩展芯片CPLD的连接，简要介绍其它功能模块的硬件实现。系统整体结构如图2所示。
2.1 核心控制器设计
目前，机器人核心控制器多选用单片机。笔者考虑到单片机指令周期长、可用资源少，难以满足机器人实时控制的要求，在综合性价比、开发周期等因素后，核心控制器选用TI公司的电机数字控制专用DSP——TMS320F240（以下简称′F240）。它具有运动控制非常有效的事件管理器，其中包括12路比较/PWM通道，可以非常方便地控制直流电机转速；利用其片内的3个可以工作于6种模式的16位通用定时器，可以完成机器人绝大部分动作的控制；16个10位A/D转换器可以方便地读取模拟信号。由于机器人指引线检测模块返回信号可看作反馈信号，因此机器人驱动电机选用步进电机。通过设置′F240定时器，利用I/O端口输出设定脉冲信号，该信号经步进电机驱动电路使步进电机行进设定距离。具体实现在软件设计部分介绍。′F240的其他片内I/O、PWM端口、A/D都引出输入输出线，方便扩展功能的实现。
从′F240的特点可以看出，′F240可用于实现复杂控制算法和进行复杂的机器人动作控制。然而根据车体设计方案，需要在车体上安装20个光电检测传感器，占用控制器的20个I/O端口。这样，′F240可用于扩展功能的I/O端口大大减少。机器人在比赛中会有比较剧烈的撞击，如设计各种功能数字电路会严重降低控制板的可靠性。此处选用Altera公司的EPM7128作为核心处理器的扩展、模糊控制的输入。为满足DSP与CPLD之间的协同处理，′F240与EPM7128可采用如图2所示的电路连接。′F240的16根数据线和A12～A15共4根地址线连到EPM7128，通过选择信号、写信号和读信号完成对EPM7128的读写操作。EPM7128的I/O端口主要在MAX+PlusⅡ编程环境下通过软件和硬件管脚设置实现。这种DSP＋CPLD的结构可以在充分扩展系统功能的同时，使DSP更能发挥其运算功能强大的特点［4］。
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