（机械制造及其自动化专业论文）喷雾机器人导航信号系统研究.pdf

摘要 电磁诱导式喷雾机器人作为一种新型的温室内植保机械，其研究有着十分重要的意义。针对 这种机器人导航方式的需求，研制出了用于喷雾机器人导航的信号系统，本文对此系统中的信号 发生器、传感器、遥控器以及网络的设计、试验进行论述。主要工作如下： 设计了供机器人导航用的信号发生器，它集成了信号发生、功率放大、1 6 路通道切换、l e d 显示和无线数传等功能。信号发生器采用数字波形合成技术，可以产生频率可控的正弦波或三角 波等波形。 针对机器人路径信号的特点，设计了一种用于检测诱导线信号的位置传感器，而对于机器人 在路径上特定位置处执行特定操作，改进设计了种用于检测磁铁物质的定位传感器，从而解决 了机器人的路径识别与定位问题。 研制的遥控器以a r m 7 单片机为核心，具有l c d 显示单元和操作键盘。可以实现对喷雾机 器人进行控制，远程设定信号发生器频率、路径切换，以及所有的状态监控等功能。 无线通讯网络主要以无线数传模块为收发器构成。机器人控制器、信号发生器和遥控器可以 互相进行无线通讯，从而构成了一个无线网络。 试验表明，研制的信号发生器、传感器、遥控器和网络工作良好，可以协同完成机器人导航 控制。 关键词：导航，机器人，a r m 7 ，喷雾 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cg u i d e ds p r a y i n gr o b o ti s an e wt y p eo fp e s tc o n t r o l l i n gm a c h i n e ，i th a sa l l i m p o r t a n tm e a n i n gt or e s e a r c h f o rt h en e e dt o t h i sn a v i g a t i o no ft h er o b o t ，as i g n a ls y s t e mw a s d e v e l o p e d t h ep a p e re x p a t i a t e st h ed e s i g no fs i g n a lg e n e r a t o r , s e n s o r , r e m o t ec o n t r o l l e ra n dn e t w o r k a m o n gt h e m e x p e r i m e n t sf o rt h e s ep a r t sa r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r as i g n a lg e n e r a t o ru s e df o rn a v i g a t i o no fr o b o tw a sd e v e l o p e d ，i ti n t e g r a t e ds i g n a lg e n e r a t i o n ， p o w e ra m p l i f i e r , 1 6c h a n n e l ss w i t c h i n g ，l e dd i s p l a y i n g ，w i r e l e s sm o d u l e ，a n ds oo n t h eg e n e r a t o r u s e dd i g i t a lw a v es y n t h e s i z i n gt e c h n o l o g y c o u l dg e n e r a t ec o n t r o l l a b l es i n ew a v eo rt r i a n g u l a rw a v ee t c a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fp a t hi n f o r m a t i o nf o rr o b o t ，ap o s i t i o ns e n s o rw a sd e s i g n e dt od e t e c t t h es i g n a lo fg u i d e dl i n e ，w h i c hs t a r t sf r o mg e n e r a t or - a n o t h e rf e r r o m a g n e td e t e c t i n gs e n s o rw a s m e n d e dt os o l v et h es p e c i f i ct a s ki ns p e c i a lp o s i t i o n s ot h ep r o b l e mo fp a t ht r a c k i n ga n dp o s i t i o na r e s o l v e d t h er e m o t ec o n t r o l l e ri sb a s e da r m 7m c u ，i tc o n s i s t so fl c dd i s p l a y i n ga n dk e y b o a r d t h e c o n t r o l l e rc a r lc o m m a n dt h er o b o t ，r e m o t ec o n t r o ls p r a y i n gr o b o tt a s k ，r e m o t es e tt h ef r e q u e n c yo f g e n e r a t o r , s w i t c hp a t h ，a n dm o n i t o ra l ls t a t e w i r e l e s sn e t w o r kw a sm a i n l yb u i l tb yw i r e l e s sd a t at r a n s m i t t e r - r e c e i v e rm o d u l e s t h er o b o t c o n t r o l l e r , s i g n a lg e n e r a t o ra n dr e m o t ec o n t r o l l e rc o u l dm a k ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na m o n g e a c ho t h e r , s oaw i r e l e s sn e l w o r ki sf o u n d e d a tl a s tt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a ts i g n a lg e n e r a t o r , s e n s o r , r e m o t ec o n t r o l l e ra n dw i r e l e s s n e t w o r kw o r k e dw e l l ，c o u l dc o o p e r a t ew i t he a c ho t h e rt oa i ds p r a y i n gr o b o tf i n i s hn a v i g a t i o n k e y w o r d ：n a v i g a t i o n ，r o b o t ，a r m 7 ，s p r a y i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：才历世日耋 时间：二一矿，年月1 2 n 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 研究生签名：才勿旺日哇 时间： 2 矿一莎年月，2 日 导师签名：吾该亥 时间：卅占年多月位日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1课题提出背景和意义 第一章绪论 我国是农业大国，随着经济的发展，工业水平的逐步提高，农业机械自动化发展迅速。植保 机械作为农业机械的一个重要组成部分，越来越受到人们的重视。植保机械自动化改变了以往靠 人工作业的方式，改善了劳动条件，提高了作业质量和作业效率，由于自动化程度高、成本低等 优点越来越受人们的青睐。国外植保机械的发展较早，发展速度较快，而我国在近十年来植保机 械发展也十分迅速，国家相继投入了大量的人力、物力。本项目“机器人式喷雾机的研制”最早 就是在此背景下开始的。 1 9 9 7 年我国农业部启动了国际引进项目( “9 4 8 ”项目) 。本项目源于此项目中“植保机械农 药防护技术及关键器械引进”子课题，即，主要负责机器人式喷雾机国产化研制工作。 2 0 0 3 年初完成了机器人的整体设计，初步实现了预定的设计目标，并完成项目鉴定。 随后对喷雾机器人研制工作继续深入，优化相关参数，增加功能，提高喷雾小车行走稳定性 和环境适应性真正开发出适应于我国国情的温室喷雾机器人。 目前喷雾机器人使用的信号发生器和所有的传感器都从国外进口，国内不易买到，而且现有 的存在不少问题： 1 ) 现有的信号发生器多路信号切换功能不能使用。照目前状况，它只能提供块农田机器 人作业时的信号，不能满足多块作业的使用要求。 2 ) 现在的信号发生器信号只能提供半个小肘的使用时间，远远不能满足田闾实验要求。 3 ) 诱导信号拾取传感器( 位置传感器) 国内不易买到进口价格也较贵。 4 ) 定位传感器需自行设计，目前已研制的定位传感器稳定性不够，漂移问题没有完全解决。 为此课题选定喷雾机器人导航与定位信号系统作为研究内容，力图设计出实用的传感器系 统。 1 2农药喷洒自动化发展现状 农药喷洒是现代农业植保作业的重要手段，其主要作用就是：预防和消灭田间作物病虫害， 以达到促进植物生长的目的。但如果采用人工作业，那将是一种极其繁重和危险的劳动，所以一 种高效，安全，经济的自动喷雾机械急需研究。 1 2 1国外喷药机械的发展现状 国外尤其是发达国家，目前植保机械的研究开发重点集中在提高机具工作效率和农药的有效 利用率，以及减少农药对环境污染和对人体危害；为特定作物和特定种植制度提供特定的施药机 械；提高机械的自动化水平1 5 1 。详述如下： 1 )从直接注入式喷雾机到采j = j 封闭式农药注入和混药系统。直接注入式喷雾机改变了传统 喷雾机只有一个大药箱，药箱中装有配制好的药液。亩接注入系统具备独立的农药容器 及一个大的水箱。此种优势在于：比传统喷雾机在剩余农药处理及冲洗等方面做到安全 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 方便。同时，天然水的提取，不易被污染；药量可以随时调节；操作者操作劳动强度低， 而且安全。后者是将上述过程封闭进行，更加安全可靠药液的浓度和均匀性也可以控 制。 2 )静电喷雾技术。在喷头簏加足够大的负电场，喷嘴喷出的雾滴或粉粒带负电，并沿电力 线方向运动，利用电力线的穿透性，被吸附到植物冠内部，附着于植物叶正面和背面。 该技术可以成倍的增加药液或药粉的覆盖率和均匀度，从而提高药效和利用率i l 。 3 1常温烟雾防治技术。该技术主要应h j 于温室、大棚等设施农作物的病虫害防治。 4 1 机器视觉田间植物检测和识别技术。 5 ) 精密旌药技术。其核心是地理信息系统( g i s ) ，数据流可表现为；田间数据采集( 航空 成像、杂草检测识别系统) 图像数据处理形成数据地图数据文件拷贝智能喷雾 机在全球定位系统g p s 的支持下根据数据地图进行防治作业p j 。 6 1机电一体化系统广泛应用。大中型植保机械基本实现了自动控制喷雾压力、流量、施药 量以及机具的行驶速度；许多喷雾系统实现了人工智能化，施药精准、污染减少、劳动 强度减轻p j 。 7 1目前许多发达国家喷雾研究主要集中在低变量喷雾、药液混和质量、雾滴漂移沉积、药 液有效附着率等方面p ，。 总体看来欧美国家主要以大中型喷雾机械为主，动力支持主要为汽、柴油发动机，行驶、定 位、对靶喷药靠全球定位系统( g p s ) 或机器视觉。 在亚洲，日本由于受其国土耕地面积的制约，喷雾机械以中小型为主，而且在小型智能喷雾 机械方面有国际领先优势。日本b r a i n 研究协会研制开发的果园自动喷雾机，通过在喷雾小车 前端安装两个磁传感器探测埋在地下3 0 c m 或地上1 5 0 2 0 0 c m 的通有交流电的导线所产生的磁 场米引导行走，进行喷雾作业。其行走速度为0 5 0 7 m s ，可遥控行走作业，连续工作时间为8 小时i ，如图1 - 1 。 图1 - 1 果园自动喷雾机 日本还有一种喷雾小车，沿同定轨道行驶，如图1 - 2 所示。它利用个红外线传感器来探测 前方树冠的形状进而控制电磁阀对其进行喷雾，也可以对其进行遥控作业【”】。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 2 轨道引导喷雾机器人 韩国开发出一种基于机器视觉和模糊控制的果园自动喷雾机。它能适时地进行图象分析，用 于方向识别，并通过一个超声波传感器来探测障碍物。缺点：机器视觉在拐弯时效果欠佳。而其 开发的另一种基于d g p s 和超声波传感器导航、模糊控制的喷雾机，在上述方面取得良好的效果， 且其均方根误差不超过0 3 m t “】。 台湾研制的喷雾小车用超声波传感器导航，田间实验表明基于此种方式行走时，每走1 5 m 偏 离误差不超过0 0 6 m e “j 。 1 2 2 国内喷药机械发展现状 国内喷雾类植保机械厂家较多，生产的喷雾机械大多为手动喷雾器、手动喷粉机、背负式机 动喷雾喷粉机、担架式机动喷雾机、风送式喷雾机等，可以说我国的喷雾机械只停留在机械化水 平，自动化、智能化喷雾机械无实际生产和应用。目前只在部分高校和研究机构开展了对此类喷 雾机械的研制。 而就目前情况看，我国喷雾机械机械化程度也存在着问题： 1 1 技术水平低，约7 0 的产品技术水平仅相当于国际6 0 - - 7 0 年代的水平，只有约1 0 的 产品能够达到国际8 0 年代末9 0 年代初的技术水平。目前国外植保机械产品较普遍采用 的低容量宽喷幅喷洒、全密封自动混药、宽喷幅气帘防漂移、微电脑及液压控制、静 电喷雾等技术，在国内喷雾植保机械产品上还很少使用或尚未开始应用。 2 ) 专用化、系列化程度低。 3 ) 使用可靠性、制造质量、外观质量及制造工艺水平均不及发达国家的同类型产品 4 )喷头种类少。多数植保机械喷头仍然使用的是六七十年代的产品，而且植保机械往往只 配有1 种喷头，无法满足用户多种作业的需求【1 2 3 1 “。 此外，国内温室智能喷雾机械还尚未有研究。 1 3机器人导航定位技术 等。 机器人的导航定位方式有多种，常见的有机器视觉导航、g p s 导航、传感器导航和电磁导航 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 磁导航是2 0 世纪5 0 年代美国开发的，到2 0 世纪7 0 年代这种导航方式迅速发展并广泛应用于 柔性生产。其原理是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同频率的电流，通过感应线圈 对电流的检测来感知路径信息。中国科学院沈阳自动化研究所已生产出基于电磁导航的多代机器 人。目前国内制造行业中使片 | 的移动机器人大多是基于这种导航【1 2 1 3 , “1 。 视觉导航主要完成障碍物和陆标的探测及识别。国内外应用最多的是采用在机器人上安装车载 摄像机的基于局部视觉的导航方式。j i a n n d e r l e e 的研究中就是使用摄像头和路标构成的导航系 统完成对室内机器人的导航1 1 5 】；n i a l lw i n t e r s 等人的研究中使用一种全方位摄像机来获取所拍摄 到的有差别的信息来实现导航【1 6 1 。现在也有很多机器人系统中采用c c d 传感器。 问题是：当物体不在视野之内或光线很暗时，视觉导航方式将失败，而且视觉导航在转弯时效果 也欠佳【”1 。 超声波、红外线传感器导航利用物体界面上超声反射、散射检测物体的存在与否。特点是：信 息处理简单，快速和价格低廉。但也有局限性：表现在探测波束角过大，方向性差，往往只能获 得目标的距离信息，不能准确地提供目标的边界信息。在实际运用中，通常需要其它传感器来补 偿，或使用多传感器融合技术提高检测精度等。n e l lh a r p e r , b y e o n g s o o nr y u 在他们各自的研究 中就使用超声波传感器作为机器人的导航方式【l8 t ”l 。 全球定位系统( g p s ) g p s 是一种空间卫星为基础的高精度导航与定位系统。该系统由2 4 颗卫 星组成，分布在六个轨道面上，卫星绕地球一周时间约为1 1 小时5 8 分钟，因此在地球表面的任 何地区，任何时候都可以至少接收四颗以上的卫星信号通过这些信号地面上的任何位置能被解 算出来，从而实现了全球、全天候、三维位置、三维速度的信号接收和适时定位导航。 在实际应用中，差分动态定位( d i f f e r e n t i a l g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) ，简称d g p s ，应用的 较多。它是用两台接收机同时观测来自相同g p s 卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户的 精确位置。其中一个观测站是已测定的已知点是基准站，它测得的三维位置与该点已知位置比 较求出定位校正值，并将校正值及时发送给流动站而改正流动站所测得的实时位置，从而得到 精确度动态位置唧i 。s j c h o 等人在他们喷雾机器人的研究中使用d g p s 和超声波传感器导航克 服了机器视觉导航中转弯问题【l ”。 1 4传感器技术发展的国内外现状 1 4 1 传感器技术国外发展的特点 1 )新材料的开发应用促进了传感器技术的发展，例如采用硅材料研制各种类型的硅微结构 传感器，采用石英品体材料来研制各种微小型化的高精密传感器等。 2 )当今传感器的设计有小型化、高精度、高灵敏度、稳定性好的要求。比如磁场传感器对 磁场的探测灵敏度现在可达到毫特斯拉，甚至更高。日本的一家公司研制出的磁传感器 可将1 1 0 亿1 1 0 0 亿特斯拉的磁场强度测出。 3 )微机械加工工艺的发展，促进了传感器小型化、微型化的趋势。以i c 制造技术发展起 来的微机械加工工艺可使被加工的敏感结构的尺寸达到微米、亚微米级，并可以批量生 产，从而制造出微犁化而价格便宜的传感器【z 。 4 ) 传感呈现山集成化的特点，即：将探测头、信号凋理、信号放大部分集成到一个传感器 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 上、或传感器装置中。这种集成的传感器可为单输入多输出或多输入多输山系统，即它 可以有多个功能，且输出为数字量。例如，一种同时检测n a - f 、k 4 - 和h + 离子的传感 器，可检测血液中的钠、钾和氢离子的浓度，对诊断心血管疾息非常有意义1 2 8 1 。 5 )将多个磁传感器组成一个阵列来使用。这种方法除增加传感器探测有效范围外，还可探 测被测对象的空间位置，故能获得更多位置信息。 6 )许多传感器设计大多有专利保护，用于特定用途，其制造方法也为专利，它们大都为企 业所有。 1 4 2 传感器技术国内发展现状 改革开发2 0 年来国内传感器技术及其产业取得了长足的进步，主要表现在以下几个方面： m e m s ( 微电子与微机械结合的技术) 、m o m e s ( m e m s 与微光学结合的技术) 的发展，传感器 与微控制器的集成，生物化学传感器的发展，纳米传感器等多学科多技术交叉融台的新一代传感 器的研制。“九五”期间传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得5 1 个品种，8 6 个规格的新产 品。初步建立到了敏感元件和传感器产业，2 0 0 0 年总产量超过1 3 亿只，品种规格已近有6 0 0 0 种pj 。但也有一些不足，如相关基础科学研究投入较少，产值低：传感器精度上同国外相比有一 定的差距；前沿技术与实际应用结合较慢等。 1 5研究目标与研究内容 经过大量的调查、研究，认为将电磁诱导式导航方式用于喷雾机器人的导航系统设计中，有 很好的实用性。本课题的目标是对喷雾机器人电磁诱导导航方式信号系统的研制，根据现有条件， 建立该导航信号系统，主要研究内容有： 1 )导航信号发生器的设计与实现； 2 )导航路径信号检测传感器； 3 )定位传感器的研制； 4 ) 遥控器的设计与实现； 5 )信号发生器、遥控器和喷雾机器人三者之间网络系统的搭建，从而建立一个完整的导航 信号系统。 1 6本章小结 本章主要论述了课题提出的背景、意义，国内外农药喷洒机械发展的情况，尤其是喷雾机器 人的发展情况，及其特点。介绍了目前机器人的导航定位技术，即磁导航，视觉导航，超声波、 红外线传感器导航和全球定位系统( g p s ) 等技术，以及优缺点。分析了传感器技术的国内外发 展特点、现状。最后对课题的目标和内容做了阐述。 5 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感器设计 第二章导航信号系统设计 2 1机器人系统组成 图2 - 1 为试验中使用的机器人系统。机器人由四轮驱动单元、控制单元、传感器调理单元和 图2 1 系统平台 喷雾器组成口”。前后轮轴与车身各用一个轴承连接，轴承限制了前后轮轴与车身的夹角在4 5 6 之内。每个车轮通过一个直流电机单独驱动，井被封装在一个马达箱内。机器人采用两个1 2 v 蓄 电池供电。机器人利用左右轮的差速实现机器人的转向控制。八个电磁传感器被分别装在四个车 轮的前后，用来获取机器人与诱导线的偏差信号。两个角度传感器装在车轮轴与车身连接处的轴 承上面，用来获取前后轮轴与车身的角度偏差信号。两个定位传感器放在车的前方和后方，用来 检测行进中的定点位置。机器人控制系统原理及框图如图2 2 所示： ? 一11 一一一。一一一? i - 一。一一+ 一一。一。一二一。= 铁磁体 诱导线 诱导线 角度信 图2 - 2 机器人控制系统框图 图2 2 描述了机器人控制系统，诱导线信号和铁磁体部分组成了机器人要感知的“环境”； 传感器部分是机器人行走的“向导”它由三种传感器组成：位置传感器、定位传感器和角度传 感器：各种调理电路和主控制器是机器人决策单元，负责机器人的行走、外界通信和喷雾作业： 无线数传模块提供了机器人和外界通信的另一种办法，使其不拘泥于一种工作模式。 2 2诱导式喷雾机器人导航定位系统 机器人的导航定位技术有多种，在这里延续早期项目的导航方式，即电磁诱导式。电磁导航 方式是一种较为成熟的技术，早期在制造业中得到了泛的应用，现在仍能见它的“身影”。在 国外这种技术已经用在农业中，开发出了相关产品，前文中已有叙述。在国内，本课题第一次将 其引入到农业机械自动化中，相信其会有更强的生命力。 电磁导航是，在行驶的地面之下，预先埋设好导引线，当导引线中通有定频率的交变电流 后，在导引线周围就产生交变电磁场。通过探测线圈，机器人或其他载体能够检测电磁场并使自 身沿着引导线方向运动。当探测线圈探n - n 机器人偏离引导线时，两个线圈中感应出的电压就有 差异，机器人或载体就能够根据电压差驱动转向电机或左右轮速，使其回到正确的路径上。基于 这种方式导航的系统称为电磁导航系统。 2 _ 3导航系统方案选择 电磁导航中涉及到了引导线的布置方式，通常为地下放置，也有地表放置的，还有放在距离 地面一定高度的j 。 第一种方式：地下放置需要预先在行走的道路上开凿沟道，深度不能大于3 0 c m 。沟道中放 置引导线，这种方式行走的小车具有较大的机动性，导线不占地上的空间。但问题是这样的布线 方式不具有灵活性，一旦沟道确定，作业路径相对确定，无法对将来作业进行重新规划。 第二种方式：距地面一定高度放置引导线，最大距离不能超过2 0 0 c m ，这种方式适于果园自 动喷雾作业，引导原理相同，即用两个或多个磁传感器检测磁场信号，进而获得压差信息控制机 器人或载体行走。这种方式的植保机械目前还没有相关报道。 第三种方式也是本课题采用的方式，即将引导线放置在地表上，这种方式比第一种方式简 单，相对具有一定的灵活性。下面将论述构建基于这种方式的导航信号系统。 结合图2 2 由图2 - 3 所示：机器人路径导航系统由机器人控制器、诱导信号发生器、诱导线、 位置传感器、定位传感器和遥控器组成。它们之间的关系是，信号发生器提供了机器人行走使用 的诱导线信号；根据实际温室环境诱导线被预铺设在田间，做出作业规划；机器人用位置传感器 检测诱导线信号，获得路径信息，实现行走；并用定位传感器检测相应位置处的磁标志( 铁磁物 质) ，进行喷雾作业；遥控器可对机器人的所有过程进行远程遥控和监控。 诱导线( 见图2 - 3 中5 ) 中通有一定频率的交变电流，从信号发生器( 见图2 3 中6 ) 中引出， 它提供了小车行走的路径及方向信息。传感器分两种：一种是位置检测传感器( 见图2 - 3 中1 、2 、 4 、8 ) ，主要是检测诱导线磁场信号，获得机器人的位置信息：另一种是定位传感器( 见图2 3 中3 ) ，主要是用于检测预定位置处的磁铁物质( 见图2 3 中9 ) ，执行诸如喷雾等的特定操作。 设计的导航信号系统中用到了八个位置检测传感器，前进时_ = i j 机器人车轮前的四个传感器( 8 组和2 组) ，后退时用车轮后的四个传感器( 1 组和4 组) 。机器人就是用这些传感器获取路径信 号，经控制器处理后控制行走。 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章导航定位传感器设计 2 4导航系统信号产生 图2 - 3 机器人导航系统示意图 在喷雾机器人导航系统中涉及到了信号发生系统，该系统为喷雾机器人提供了路径信号，因 此是导航系统中的重要组成部分。针对本课题研制的喷雾机器人的需求，提出了对信号发生器的 要求： 1 信号频率默认为1 5 k h z ，稳定、抗干扰，可以与原有的引进机器人信号发生系统互换使 用。 2 至少1 6 路信号通道切换。 3 可远程遥控信号通道切换。 4 可远程遥控信号频率设定，只为储备，不做实际应用。 5 数码显示，告知当前信号发生系统的状态等。 图2 4 是信号发生器系统的系统框图。从图中可以看出系统的组成：信号发生功率放大模块、 无线通信模块、l e d 数码显示模块和1 6 路通道切换模块。 图2 - 4 信号发生器系统框图 8 2 4 1 数字波形合成技术 数字波形合成技术的解释有多种，但其主要思想都是：将离散化的波形数据经d a 输出并滤 波后产生所需要的波形。 数字波形合成技术发展到今天出现了一种新的技术：d d s d d f s 巾i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s ) 技术，即直接数字频率合成器，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现 代频率合成技术中的佼佼者。随着可编程器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 的出现，使得d d s 技术又呈现出一种新的局面，输出频带得到了极大的提高，系统更容易集成，功耗更小。 但d d s 技术的电路复杂，成本较高，基于这一思想殴计了以p h i l i p s 的l p c 2 1 0 6 单片机为核心 的信号发生器，总得说来本课题中的信号发生器是基于一种数字波形合成技术。下面介绍其原理。 2 4 2 信号发生器原理 信号发生系统是一个由a r m 7 系列单片机( l p c 2 1 0 6 ，p h i l i p s 公司制造) 为核心实现的系统， 它集成了信号发生、功率放大、1 6 路通道切换、l e d 显示和无线数传等功能。信号发生器采用 数字波形合成技术，可以产生频率可控的正弦波、三角波等波形。该系统信号发生单元的工作原 理如图2 5 示。 图2 - 5 信号发生器工作原理圈 信号产生原理：控制脉冲是由l p c 2 1 0 6 控制器发出的可控脉冲序列它由控制器中的定时计 数器产生。控制脉冲输入到两片计数器( 共8 位) 后，计数器开始计数脉冲，输出端便依次输出 信号0 x 0 0 、0 x 0 1 、0 x 0 2 。这些信号又成为e p r o m 的地址信号，e p r o m 中存有正弦波或其 他波形的离散化数据，于是便输出这些数据到d a 中转换为正弦波形，再经过滤波器滤波后便可 得到平滑的正弦波形。 2 4 3 主控制器l p c 2 1 0 6 功能简介【2 7 j 信号发生器主控制器l p c 2 1 0 6 是p h i l i p s 公司制造的一款带有一个支持实时仿真和跟踪的 a r m 7 1 d m i sc p u 。 a r m t i d m i s 是通用的3 2 位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。a r m 结构是基于 精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单 得多，这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断相应。由于 使用了流水线技术，处理和存储系统的所以部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下 一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 l p c 2 1 0 6 带有一个支持实时仿真和跟踪的a r m t t d m i sc p u ，并嵌入了1 2 8 k b 高速h a s h 存储器。与片内存储器控制器接口的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线 ( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r m ，a m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 1 0 6 9 中国农业太学预士学位论文 第二章导航定位传感器设计 将a r m 7 t d m i - s 配置为小端( 1 i t t l e - - e n d i a n ) 字：j i 顺序。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速 结构使3 2 位代码能够在最大时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能损失很小。 由于l p c 2 1 0 6 具有非常小的尺寸和极低的功耗，因此它们非常适合于那些将小型化作为主要 要求的应片j ，例如访问控制和电子收款机( p o s ) 。带有宽范围的串行通信接口片内多达6 4 k b 的 s r a m ，由于具有大的缓冲区规模和强大的处理能力，它们非常适台于通信网关和协议转换器、 软件调制解调器、声音识别以及低端的图形处理。而多个3 2 位定时器p w m 输出和3 2 个g p i o 使它们特别适用于工业控制和医疗系统。 a h b 外设分配了2 m b 的地址范围，它位于4 g ba r m 存储器控制的最顶端。每个a h b 外 设都分配了1 6 k b 地址空间。l p c 2 1 0 6 的外设功能( 中断控制器除外) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥接将v p b 总线和a h b 总线相连。v p b 外设也分配了2 m b 的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设在v p b 地址空间内都分配1 6 k b 地址空间。 片内外设与器件引脚的连接由引脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功 能与引脚在特定应用中的需求。 l p c 2 1 0 6 的特点是：内嵌1 2 8 kf l a s h 程序存储器，具有i s p 和i a p 功能； 有6 4 k 静态r a m ： 具有极小封装：t q f p 4 87 c m x 7 c m ： 双u a r t ，其中个带有完全的调制解调器； 1 2 c 串行接口； s p l 串行接口； 两个定时器，分别具有4 路捕获仳较通道； 多达6 路的p w m 单元； 实时时钟； 看门狗定时器； 通用l o 口： c p u 操作频率可达6 0 m h z ； 两个低功耗模式：空闲和掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 外设功能可单独使能，禁止，实现功耗最优化； 片内晶振操作频率范围：1 0 2 5 m h z ； 片内p l l 允许c p u 以最大速度运行，可以在超过整个晶振操作频率范围的情 况下使用。 2 4 4信号发生器电路设计 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章导航定位传感器设计 图2 7 信号发生电路 图2 7 是信号发生器信号产生的部分电路图，a 0 a 7 是从两片4 位计数器( s n 7 4 l s l 9 3 ) 来得地址选通信号；u 4 ( 2 8 f 0 1 0 ) 是一个1 2 8 k 的f l a s h ；u 3 是d a c 0 8 3 2 ，一个8 位d a 转换 器；u 3 右侧的两个放大器电路用于正弦波的双极性输出；信号发生电路的原理己在上一节做了 叙述，这里不再多述。 图2 - 8 信号发生器功率放大电路图 图2 - 8 是信号发生器的功率放大电路图。主要器件为l m l 8 7 5 ，它是n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公 司生产的一款2 0 w 音频功率放大器，有5 个引脚，t o 2 2 0 封装，最大输出功率3 0 w ，晟大电流 4 a 。用l m l 8 7 5 为核心元件，在加入一些电阻和电容就可以构造出一个功率放大单元。使用时需 要注意的是：电阻r 1 2 和r 1 3 组成的反馈环节可以控制输出波形幅值的大小变化，即有放大功能， 但r 1 3 r 1 2 值太太会造成输出波形的失真输出为方波，太小就会没有波形输出实际使用前要 根据情况调仃该值。同时图2 8 中电位器r 1 3 值的大小对功率放大器r 1 3 r 1 2 值有直接影响。 中国农业太学硕十学位论文 第二章导航定位传感器设计 ( a ) 切换电路 r l y l c o ) 与继电器的连接 图2 - 9 信号发生器诱导线切换电路图 图2 - 9 为信号发生器诱导线切换电路的电路图，各用两片1 3 8 译码器和2 4 5 驱动器可以实现 诱导线信号的切换。这种方式使得控制器用较少的1 0 口线可以控制十儿个或几十个通道的开断。 图2 - 9 f a ) 中实现了1 6 路通道的切换，图2 - 9 ( b ) 是继电器与各通道连接的电路图，每个继电器旁有一 个发光二极管l e d ，用于标识通道是否正在工作，这1 6 个通道中，使用时只能有一路通道接通， 不具备多路同时工作的能力。 中国农业大学硕士学位论文 第二章导航定位传感器设计 图2 1 0 信号发生器6 位l e d 显示 图2 1 0 是信号发生器6 位l e d 显示电路，该电路主要用于信号发生器频率显示，状态显示 等等。该电路核心器件为一个基于1 2 c 总线的l e d 驱动器z l g 7 2 9 0 ，它是由广州周立功单片机 发展有限公司生产，具体信息见下节。 此外，信号发生器有无线通信功能，通过一个预留的串口可直接与f 4 9 p 相连，进而通过遥 控来控制通道切换，信号频率改变，以及状态监控。 2 4 5信号发生电路的改进 经过试验发现，信号滤波器的输出波形再经过功率放大器放大后发生了变化，主要原因是干 扰问题的存在，即波形幅值随某一频率周期性的发生变化，初步确定是由电源模块工频干扰造成 的。这种干扰直接导致的后果是：供给机器人的导航信号的电压幅值发生变化，致使机器人行走 受到影响，时而正常行走，时而偏离原有路径。 对此问题，又设计了另一个滤波器：b u t t e r w o r t h4 阶带通滤波器，滤波器的参数如下： 1 通道衰减( p a s s b a n d a t t e n u a t i o n ) ：0 1 d b ； 2 带阻衰减( s t o p b a n d a t t e n u a t i o n ) ： 2 0 d b ； 3 通带带宽( p a s s b a n db a n d w i d t h ) ： 1 0 0 h z ； 4 阻带带宽( s t o p b a n d b a n d w i d t h ) ： 5 0 k h z ； 5 中心频率( c e n t e rf r e q u e n c y ) ：1 5 k h z ； 6 总增益( o v e r a l lf i l t e rg a i n ) ： i v n 。 1 3 电路图如图2 - 1 1 所示： v v0 图2 - 1 1b u t t c r w o r t h4 阶带通滤波器 图2 - 1 1 是本次设计b u t t e r w o r t h 滤波器的一半，两个这样的电路图串在一块才可以组成一个 完整的4 阶b u t t e r w o r t h 滤波器，滤波器的特性曲线如2 1 2 图所示： ( a ) 幅频特性 ( b ) 相频特性 图2 1 2b u t t e r w o r t h 滤波器的特性曲线图 图2 1 2 中，分别有两组图：整体图和局部图，每个图都绘有理想特性曲线( 黑线) 和实际特 性曲线( 红色) 。从图中看出，实际滤波器( 红线) 与理想滤波器( 黑线) 较为接近t 失真较少， 只有2 3 。经实际测试可知，滤波器幅值衰减较大，达2 0 ，但波形良好。幅值的衰减同元器 件精度有很大关系。 使用上述设计的滤波器，信号发生器可以稳定、可靠的提高正弦信号，实际使用效果较好。 2 4 6电路设计开发工具p r o t e ld x p2 0 0 4 p r o t e ld x p 是a l t i u m 公司最新一代全新的桌面板级设计系统。p r o t e ld x p 是第一个将所有的 1 4 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感器设计 设计工具集成于一身的板级设计系统，从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照设 计者自己的设计方式实现。p r o t e | d x p 运行在优化了的设计浏览器的平台，并且具备了所有当今 先进的设计特点，以便处理各种复杂的p c b 设计过程。它融合了设计输入仿真，p c b 绘制编辑， 拓扑自动布线，信号完整性分析和设计输山等技术。p r o t e ld x p 为用户提供了全新的设计解决方 案。p r o t e l d x p 是唯一一款充分发挥w i n d o w s x p 和w i n d o w s2 0 0 0 p r o 平台的板级设计系统。具 有更稳定、更强大的图形处理平u 更友好的用户界面，使你进行更轻松、更高效的设计。图2 1 3 和图2 1 4 为p r o t e l d x p 2 0 0 4 开发环境。 图2 1 3p r o t e ld x p2 0 0 4 开发环境原理图设计 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感器设计 图2 1 4p r o l c ld x p2 0 0 4 开发环境- - p c b 图设计 制成的信号发生器如图2 一1 5 所示： 图2 - 15 信号发生器实物图反面 1 6 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感_ ；| 设计 2 4 7 信号发生器软件设计 图2 - 16 信号发生器实物图正面 由上一节的信号产生原理可知，信号发生器相关软件设计主要有： 1 与l p c 2 1 0 6 定时计数器产生控制脉冲相关的编程； 2 与无线数传模块f 4 9 p 相关的串口编程，中断方式实现； 3 与l e d 显示相关的z l g 7 2 9 0 的编程以及1 2 c 总线编群。 这一程序设计的流程图如图2 1 7 所示： 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感器设计 由 断 过 程 图2 1 7 信号发生器程序设计流程图 信号发生器程序执行过程如下在没有外部中断之前，信号发生器以预定频率1 5 k h z 执行 程序，l e d 显示为e 1 5 0 0 ，并发出状态信号指示当前频率为1 5 0 0 h z 。当有中断发生时，即要改 变信号发生器频率时，程序重新设定频率控制字，重新启动定时计数器，产生设定频率的正弦波。 同理，正弦波信道切换也是同样的执行过程。这里需要注意的是，信号频率不能随意改变，因为 实际使用时频率改变要伴随机器人系统位置检测传感器的更改。 下面一段程序是设定频率控制字的程序。 i n ts i n w a v e ( u i n l 3 2f q ) 输出正弦波，参数为波的频率 u i n t 3 2l ； f q = f q 4 4 ； f = ( r p c l k 2 5 6 ) f q ； t i r n e 0 1 n i l ( 0 ； 中国农业大学硕士学位论文第二章导航定位传感器设计 r e t u r n ( o ) ； ) 其中，f q是频率控制字； f d c l k 是外围部件时钟，程序中为1 1 0 5 9 2 m h z ； t h n e o l n i t ( t ) 是定时器初始化函数，参数t 为信号频率实际控制字。 z l g 7 2 9 0 b 介绍 z l g 7 2 9 0 b 是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理 芯片瞰i 。能够直接驱动8 位共阴式数码管( 或6 4 只独立的l e d ) ，同时还可以扫描管理多达6 4 只 按键。其中有8 只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的c t r l 、s h i f t 、a i r 键一样。另外 z l g 7 2 9 0 b 内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连续有效。采用1 2 c 总线方式， 与微控制器的接口仅需两根信号线。该芯片为工业级芯片，抗