基于DSP无线通讯的多功能机器人灵狐的研究与实现.doc

1 基于基于 DSPDSP 无线通讯的多功能机器人灵无线通讯的多功能机器人灵 狐的研究与实现狐的研究与实现 目 录 第第 1 章章 绪论绪论 16 1 1 引言 16 1 2 移动机器人研究现状 17 1 3 本课题研究内容及意义 18 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 19 2 1 系统框架 19 2 2 灵狐机器人运动建模 20 2 2 12 2 1 运动学模型运动学模型 21 2 2 22 2 2 动力学模型动力学模型 23 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 24 3 1 DSP 驱动控制子系统 24 3 1 13 1 1 DSPDSP 简介简介 24 3 1 23 1 2 PWMPWM 的实现方法的实现方法 25 3 1 33 1 3 驱动结构设计驱动结构设计 26 3 1 3 13 1 3 1 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型 26 3 1 3 23 1 3 2 机械结构设计机械结构设计 27 3 1 43 1 4 步进电机控制步进电机控制 28 3 2 无线通讯子系统 29 3 2 13 2 1 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用 29 3 2 23 2 2 芯片选型芯片选型 29 3 2 33 2 3 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口 30 3 2 43 2 4 软件编程软件编程 31 3 2 53 2 5 通信协议设置通信协议设置 33 3 2 6 通信传输距离的计算 33 3 3 超声波子系统 34 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 2 3 3 13 3 1 超声波测距原理超声波测距原理 34 3 3 23 3 2 系统硬件接口系统硬件接口 34 3 3 33 3 3 数据处理数据处理 35 3 3 43 3 4 结果误差分析结果误差分析 36 3 4 无线图像传输子系统 36 3 5 GPS 辅助导航子系统 38 3 5 13 5 1 GPSGPS 定位原理定位原理 38 3 5 23 5 2 产品选型产品选型 39 3 5 33 5 3 系统硬件接口系统硬件接口 40 3 5 43 5 4 NMEA 0183NMEA 0183 通信标准通信标准 41 3 5 53 5 5 GPGGAGPGGA 语句解析语句解析 41 3 6 语音识别子系统 42 3 6 13 6 1 系统硬件接口图系统硬件接口图 42 3 6 23 6 2 非特定人语音识别程序的编写非特定人语音识别程序的编写 43 3 7 音乐控制子系统 45 3 7 13 7 1 系统设计方案系统设计方案 45 3 7 23 7 2 音乐子系统的实现音乐子系统的实现 45 3 8 逐球图像处理子系统 46 3 8 13 8 1 系统设计方案系统设计方案 46 3 8 23 8 2 图像处理子系统的研究与实现图像处理子系统的研究与实现 47 3 8 2 13 8 2 1 系统结构图系统结构图 47 3 8 2 23 8 2 2 图像模型的选择图像模型的选择 RGBRGB 模型模型 47 3 8 2 33 8 2 3 空间坐标变换空间坐标变换 48 3 8 2 43 8 2 4 色标设计与识别色标设计与识别 50 第第 4 4 章章 机器人底层控制算法设计机器人底层控制算法设计 51 4 1 PD 控制简介 52 4 2 系统实现 52 第第 5 5 章章 实现功能及轨迹控制精度误差实验实现功能及轨迹控制精度误差实验 54 5 1 实现功能 54 5 1 15 1 1 灵狐排练灵狐排练 模式模式 54 5 1 25 1 2 基于人的思维的反馈式近地侦察模式基于人的思维的反馈式近地侦察模式 55 5 1 35 1 3 基于视觉闭环自治的逐球模式基于视觉闭环自治的逐球模式 57 3 5 2 轨迹控制精度分析 59 5 2 15 2 1 轨迹精度误差实验的设计和实现轨迹精度误差实验的设计和实现 59 5 2 25 2 2 误差分析误差分析 59 第第 6 6 章章 总总 结结 61 6 1 概述 61 6 2 主要工作和创新点 61 6 3 作品适用范围及发展前景 62 6 4 研究结论 62 6 5 存在问题及工作展望 63 主要作者本科阶段发表论文主要作者本科阶段发表论文 63 参考文献 63 附录附录 1 1 配合音乐的DSP舞蹈控制程序 66 附录附录 2 2 机器人性能参数机器人性能参数 67 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 引言引言 二十一世纪的钟声宣告了知识经济时代的来临 我国也相应提出 科技兴国 方针 大力发展科技事业 机器人是传统的结构学与近代 电子技术相结合的产物 是集计算机科学 控制技术 传感器技术 电机技术 机构学及美学等多学科为一体的高科技产物 它的出现和 发展不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化 而且将对 人类社会生活产生深远的影响 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 4 图1 1Sony公司 AIBO机器狗 机器人的研究和应用水平 是一个国家经济实力和科技发展水平 的反映 一个国家如果不拥有一定数量 和质量的机器人 就不具备产品国际竞 争的工业基础 因此 世界上许多国家 包括中国在内都对机器人的发展予以高 度重视 机器人已发展50年左右了 虽由于 涉及的技术太复杂 机器人还没有如人 们预期的那样 但得益于相关技术的飞速 发展 很多移动机器人即将进入人们的 生活 在进入21世纪以后 已经有超过6家公司发布了家用洗尘机器 人 Sony公司的AIBO机器狗 图1 1 更是以超过1万人民币的售 价在全世界范围内卖出了上万只 1 这无疑给机器人市场注入了一只 强心剂 同时工业用自动引导移动机器人 AGV 也得到了飞速发展 在拥有了视觉和激光扫描传感器之后 AGV已经被提高到了一个新的 高度 在军事方面 随着高新技术的发展 各种类型的军用机器人已经 大量涌现 一些技术发达的国家相继研制了智能程度高 动作灵活 应用广泛的军用机器人 目前军用机器人主要是作为作战武器和保障 武器使用 在恶劣的环境下 机器人的承受能力大大超过载人系统 并且能完成许多载人系统无法完成的工作 如运输机器人可以在核化 条件下工作 也可以在炮火下及时进行战场救护 在地面上 机器人 为联合国维和部队排除爆炸物 扫除地雷 在波黑战场上 无人机大 显身手 在海洋中 机器人帮助人清除水雷 探索海底秘密 在宇宙 空间 机器人成了火星考察的明星 1 2 移动机器人研究现状移动机器人研究现状 在美国 日本及欧洲的许多发达国 家 由于移动机器人在人工智能理论 图 1 2 美国 Pioneer2 DXe 7 5 研究 服务和娱乐领域的商业前景而受到重视 许多高校和企业都做 了一定的理论研究和实践 2 3 同样无线通信技术也在飞速发展 4 5 我国的机器人事业起步较晚 移动机器人的研究早期主要集中在哈尔 滨工业大学 清华大学 中国科技大学 上海交通大学等高等院校 下面介绍几个主要的移动机器人 美国 Active Media 公司成功地开发了先锋系列轮式移动机器人 以 Pioneer2 DXe 为例 如图 1 2 所示 它采用两轮驱动 一轮从 动的结构拖动车体在平地上运动 基于西门 子的 C166 的控制器在分析来自声纳传感器 和图像传感器的基础上 按照一定的控制算 法对分别驱动左右电机进行控制 从而实现 机械小车的启停 转向等 澳大利亚墨尔本大学研制的轮式移动机 器人 Robot J Edgar 可以用作视觉导航移动 机器人应用的测试平台 如图 1 3 所示 小车体积较小 车体高 66cm 直径为 48cm 小车采用左右两轮分别驱动 前后各装一个定位轮的结构 驱动速度达 40cm s 系统集成了声纳传感器和图像传感器 该机器 人具有发现目标 自主避障的功能 1 31 3 本课题研究内容及意义本课题研究内容及意义 1 我国移动机器人研究及制作 在传感器 控制器和控制算法上 普遍落后于欧美发达国家 特别是使用单片机作为机器人的控制器 不仅使整个电路系统复杂 而且在控制精度 控制算法及实时性方面 均受到限制 本文正是突破这种传统做法 选用性能更强的 DSP 作 为控制器的核心进行开发的 2 目前 国内外许多学者从理论方面研究了驱动可行走机器人的 运动规划以及控制方法 并且取得了丰硕的成果 尽管有许多控制策 略考虑到了实际系统中存在的各种不确定性和扰动对系统的影响 从 图 1 3 Robot J Edgar 7 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 6 而建立了相应的鲁棒控制方法 并进行了仿真试验 但这种理论上的 模拟和实际应用的情况仍然相差甚远 要将这些理论上的控制方法应 用到实际工程中去 必须首先经过实验验证 然后才能应用到工程实 际 因此 研制轮式移动机器人的实验平台及相应的控制装置 并且 在该装置上进行控制算法的实验研究具有十分重要的意义 3 许多机器人 尤其是足球机器人 驱动几乎清一色是直流电机 直流电机速度快 但控制精度低 为实现无线高精度控制机器人 本 文实现了 DSP 步进电机控制器的解决方案 理论控制精度达 0 08cm 4 该作品适合于近距离侦察 攻击目标 基于蓝牙技术的无线通 讯距离短 隐蔽性好 而且独特的载波监测 地址匹配 数据就绪输 出给破译和干扰带来相当的难度 5 该作品还具有美学欣赏价值 又因其语音功能而具有人机互动 能力 所以有很强的娱乐性 可向玩具商品方向发展 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 2 12 1 系统框架系统框架 基于 DSP 无线通讯多功能机器人平台 灵狐 主要有三大功能 近地侦 察 逐球和舞蹈 前两者均属于半自主系统 而舞蹈功能的实现无需 反馈信息 属于完全自主系统 近地侦察是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统 其硬件框 图如图 2 1 所示 整套系统可分为七个子系统 即 GPS 辅助导航子 系统 语音识别子系统 无线图像传输子系统 音乐控制子系统 DSP 驱动控制子系统 无线通讯子系统及超声波子系统 无线图像 传输子系统实时传输给控制台图像数据 同时 GPS 辅助导航子系统 7 也实时地传回机器人所在的经纬度 控制人员根据所获得的信息通过 无线通讯子系统控制机器人的运动 其中主控制台是系统控制器 DSP 驱动控制子系统和音乐子系统可以看成执行机构或控制对象 而无线通讯子系统则是主控制台和 DSP 驱动控制子系统中间的信息 桥梁 超声波子系统 GPS 辅助导航子系统及无线图像传输子系统 配合有效控制 超声波 子系统 GPS辅助导航子系统 语音识别 子系统 DSP驱动控制子系统 无线视频传输子系统 无线通信子系统 发送端接收端主控台 显示器 GPS信息和 图像信息 视频和GPS反馈 灵 狐 图2 1 基于人的思维判断的反馈式近地侦察模式硬件框图 逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统 其硬件框图如 图 2 2 所示 整套系统可分为图像处理子系统 DSP 驱动控制子系 统 决策子系统和无线通讯子系统共四个子系统 视觉子系统感知场 地上环境信息和运动物体的位姿状态 并将其传送给决策系统 决策 子系统对这些信息进行分析处理 再通过运动控制函数和无线通讯接 口将决策内容转化为输出指令 无线通讯子系统以广播通信方式将指 令发送给机器人驱动子系统 机器人小车接受指令完成速度跟踪控制 决策子系统 图像处理子 系统 运动控制子 系统 机器人DSP驱 动控制子系统 无线通信子 系统发送端 C 无线通信子系统 数字图像 PC 摄 像 头 图2 2 基于视觉闭环自治的逐球机器人模式硬件框图 整套系统是一个完整的自治系统 它具有一个实时的视觉闭环 图 2 3 是逐球机器人系统平台全视图 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 8 图2 3 逐球机器人模式平台全视图 舞蹈功能由机器人自主系统实现 按指定路径伴随音乐节拍做相应舞 蹈动作 2 22 2 灵狐机器人运动建模灵狐机器人运动建模 轮式移动机器人是典型的非完整性系统 其物理含义是机器人不能沿 轮轴方向运动 5 非完整性控制系统没有孤立的平衡点 因此没有局 部渐进稳定平衡点 只存在包含原点的平衡流形 移动机器人的轮子可分为两种类型 传统轮和瑞典轮 图 2 4 a 为 传统轮的偏心方向轮 偏心 轮具有全方位运动能力 同 样瑞典轮也是全方位轮 如 图 2 4 b 所示 点的速 P 度为 2 1 SXP UE E rV 其中 为轮子半径 为 r X E 轴的单位向量 为速度向量 为瑞典轮的滚动轴运动的单位向XU S E 量 为机器人质心的瞬时线速度和角速度 P V 不同的轮式具有不同的运动能力和约束 通常用运动自由度 DOM 和 舵性自由度 DOS 的组合形式 DOM DOS 来定义轮式机器人的移 动能力 8 只具有两个运动自由度的 2 0 系统为目前普遍研究对 象 基于 DSP 无线通讯的 Agent 采用 2 轮差分结构 前后端分别有 支撑的万向轮 图 2 4 移动机器人采用的传统轮和瑞典轮 9 2 2 12 2 1 运动学模型运动学模型 如图 2 5 所示 轴为机器人外部环境坐标系 而 轴所XY C X C Y 代表的就是机器人自身的坐标系 机器人的位姿就是 T AA YX R P 其中为机器人在绝对坐标系中的坐标 AA YX XOY 图 2 5 轮式移动机器人运动学模型 图 2 6 坐标转换 确定机器人的位姿要引入坐标变换的概念 如图 2 6 所示 抽象化 机器人为点 在绝对坐标系中的坐标为 在相对坐标系P XOY AA YX 中的坐标为 机器人中心在绝对坐标系中的坐标为 CCC YOX RR YX 在中的角度为 则可得点在两种坐标之间的 MM YX CCX OXOY P 转换公式 2 2 MRRA MRRA MAMAR MAMAR YXYY XXY XXYYY YYXXX sin cos cos sin X sin cos sin cos 假定轮子和地面之间没有滑动 即每瞬时与地面接触点的速度等 于零 则每个轮子的运动学方程为 2 3 L R rLyx rLyx sincos sincos 其中 为 1 2 机器人左右轮间距 分别为左右轮转动的角L L R 度 假定机器人在轮子侧向没有滑动 即系统所受的非完整性约束方 程为 2 4 0sincos yx 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 10 定义速度向量为 2 5 R LP v v LL V 2 12 1 2 12 1 U 其中 为机器人质心的瞬时线速度和角速度 P V 是机器人左右轮速度向量 我们可得到机器人的运动学 T LR vv W 方程可表示为 2 6 P A A V Y X 1 0 0sin 0cos PR 同时可得机器人运动轨迹的曲率半径为 2 7 LR LR vv vvL 当时 曲率半径趋向无穷大 机器人作直线运动 当 LR vv 时 机器人以质心为圆心原地旋转 当不等于时 机器人 LR vv L v R v 围绕瞬心作圆周运动 2 2 22 2 2 动力学模型动力学模型 达朗伯原理与虚位移原理相结合 可导出动力学普遍方程 是分 析动力学的基础 动力学普遍方程可表达为统一形式 6 2 8 0qA q q AuB q G q qC q qM q T 其中 为广义坐标向量 惯性力矩矩阵 n Rq nm RM q 哥氏力和离心力向量 重力向量 输入 n R qC q n RG q rn RB q 变换矩阵 控制向量 乘积因子向量 满秩约 n Ru m R nm RA q 束矩阵 对于差轮驱动的移动机器人 定义广义坐标向量 则满秩约束方程可表示为 T LR yx q 2 9 000 0 0 A q cossin rLsincos rLsincos 11 引入乘积因子 满足运动学约束的动力学方程为 2 10 22 11 21 321 321 r u I r u I L L I cos sin sin ym sin cos cos xm LY RY Z 其中 为车身重量 为轮子质量 整个机器 WB mmm 2 B m W m 人绕轴的转动惯量 为车身绕的转动惯量 C Z 2 2LmII WZBZ ZB I C Z 分别为右轮和左轮的输入力矩 综上所述 可以归纳总结出 1 u 2 u 2 11 00 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 2 1 2 1 G q qC q uB q M q u u I I I m m Y Y Z 此模型可用于机器人的路径跟踪控制 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 近地侦察系统是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统 由七个子系统组成 逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制 系统 由四个子系统组成 现对每个子系统逐一介绍 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 12 3 13 1 DSPDSP 驱动控制子系统驱动控制子系统 为了保证智能系统的功能扩展 技术的更新和控制算法的研究 系统应具有一定的开放性和软 硬件结构上的可扩展性 合理的模块 化设计 有效的任务划分 系统实时性和多任务要求都是机器人平台 上应该解决但还没有完全解决的问题 近年来 数字信号处理器 DSP 以其完善的结构和优良的性能在通信领域 消费类电子 汽车 电子产品等领域的应用日益占有重要地位 使用 DSP 技术提升智能 机器人感知 控制性能 提高计算能力 降低总体成本成为一种发展 趋势 3 1 13 1 1 DSPDSP 简介简介 DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器 芯片内部采用程序和 数据分开的哈佛结构 具有专门的硬件乘法器 广泛采用流水线操作 提供特殊的 DSP 指令 可以快速实现各种数字信号处理算法 TMS320LF2407A 是为了满足控制应用而设计的 其 16 位定点 DSP 内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解 决方案 TMS320C24X 系列是美国 TI 公司为电机控制设计的专用芯片 在其基础上升级了 TMS320LF240 x 除了具有一般 DSP 的改进的哈 佛结构 多总线结构和流水线结构等优点外 它还具有以下优点 10 采用高性能的CMOS工艺 使得供电电压降为3 3V 减小了控制器 的功耗 最大可达40MIPS的执行速度缩短了指令周期 从而提高 了控制器的实时控制能力 片内高达32K字的FLASH程序存储器 高达1 5K字的数据 程序 RAM 544字双端口RAM DRRAM 和2K字的单口 RAM SARAM 两个事件管理器模块EVA和EVB 每个包括 两个16位通用定时 器 8个16位的脉宽调制 PWM 通道 它们能够实现 三相反 13 相控制 PWM对称和非对称波形 当外部引脚出现低电 PDPINTX 平时快速关闭PWM通道 可编程的PWM死区控制以防止上下桥 臂同时输出触发脉冲 3个捕获单元 片内光电编码器接口电路 16通道A D转换器 片内外设有看门狗定时器和实时中断定时器 可通过事件管理器 触发1个16通道或2个8通道A D转换器来处理反馈速度 位置 电 压 电流等模拟信号 同时还有SPI SCI以及多达40个的 GPIO 3 1 23 1 2 PWMPWM 的实现方法的实现方法 应用 DSP 产生 PWM 的原理图如图 3 1 所示 具体实现如下 通过设置TxCON 寄存器来确定采用连续增 减计数模式 计数器 按设定的时间单位连续向上计数 当计数到设定的峰值时 计数 器立即向下计数则生成三角载波 在计数器计数过程中 如果设 定的比较寄存器的值与计数器的值相等时PWM 脉冲输出端口自 动输出高电平或低电平 通过设置比较方式控制寄存器ACTRA 来确定PWM 脉冲输出端 口电平为 强制高 强制低 高有效 低有效 根据功率器件的特性来 定 通过设置比较控制寄存器COMCONX 确定各路PWM 脉冲输出端 口间为哪一种切换方式 1 当计数器的值为零时切换 2 当 计数器的值等于设定的峰值时进行切换 3 立即进行切换 实际应用中 通过调节周期寄存器和比较寄存器的值输出一系列 控制脉冲以满足不同的控制要求 3 1 33 1 3 驱动结构设计驱动结构设计 移动机器人优秀表现的基础是要有一个良好运动特性的移动平台 机器人平台的驱动控制是机器人的一个关键部分 它直接影响到整个 机器人运动的精度 灵活性乃至整个系统的可靠性 并且在整个机器 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 14 人的构造成本中一直都占有很大比重 机器人驱动模块一般由主动轮 随动轮 固定支架 电机 驱动 器及能源系统构成 机器人小车应具备高度的机动性和灵活性 能够 快速实现前进 后退 转弯 停车等基本动作 在本系统中 机器人 接收到主机的指令 以电机作为执行机构来控制机器人的运动 为了 精确控制 系统以牺牲速度为代价采用步进电机作为执行结构 3 1 3 13 1 3 1 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的 电磁执行元件 每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量 电机 总的回转角与输入脉冲数成正比例 相应的转速取决于输入脉冲频率 步进电机惯量低 定位精度高 无累积误差 控制简单等特点 其最 大优点就是不需要反馈控制 另外还有电路简单 容易与微型计算机 联接 停止时有保持转距 维护方便等优点 选择步进电机时 要明确电机的最高运行速度和拖动负载所需的 力矩 7 电机所能提供的速度及力矩取决于电机自身性能及驱动电压 电流等因素 步进电机的基本特性是随着速度的升高力矩越来越小 一般而言 电压越高 力矩随速度的升高下降的越慢 电流越大 力 矩越大 除此之外 还要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功 率 而在选用功率步进电机时 首先要计算机械系统的负载转矩 电 机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠 在实 际工作过程中 各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内 电机输出的总力矩 其中为电机启动加速力矩 FA MMM A M 为摩擦折算至电机的转矩 本文采用42BYGH 永磁感应子式步进 F M 电机和SMD401型驱动模块 再配合DSP的脉宽调制电路构成DSP驱 动控制子系统 电机步矩角 静转矩2 5Kg cm 其接线和矩频特 8 1 性分别如图3 2和图3 3所示 SMD401采用单极恒压驱动原理 驱 动电流可达1A 该电机工作在四相八拍方式下 可使机器人的理论线 15 性运动控制精度为0 08cm 最高运行速度为2 92m s 图 3 2 步进电机 42BYGH 接线图 图 3 3 42BYGH 矩频特性 3 1 3 23 1 3 2 机械结构设计机械结构设计 目前国内外移动机器人平台通常采用传统的伺服电机作为驱动部 件 必须通过相应的减速机构和传动装置才能够实现对移动平台的驱 动 存在结构复杂 价格昂贵 自重较大等问题 不能很好地满足机 器人系统的需要 如图3 4所示 机器人采用两个高精度驱动轮和一个随动轮的结 构是一种典型的驱动结构 两个驱动轮4分别由两个伺服电机3经过减 速器5分别驱动 随动轮1可置于本体前部 可也置于本体后部 机器 人移动平台的行进方向由两个驱动轮的速度差决定 通过对两个电机 施加不同的速度控制量可实现任意方向的运动 这种结构的特点是运 动灵活 但对对伺服驱动系统本身的精度和动态特性要求非常高 而 且由于采用减速器 码盘等使整个系统的结构复杂 从而带来机器人 成本的增加 1 2 3 4 5 6 1 随动轮 2 码盘 3 电机 4 驱动轮 5 减速器 6 本体 1 2 3 1 万向轮 2 驱动轮 3 车身 4 电机 4 图3 4 两个高精度驱动轮和 图3 5 两个高精度驱动轮和 一个随动轮的结构图 两个随动轮的结构 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 16 为了既保留上述结构在运动方面的优势 又避免本体过于庞大 本文采用的两个高精度步进电机和两个随动轮结构如图3 5所示 左右轮2分别为驱动轮 前后分别有万向轮支撑 平台的运动速度取 决于两驱动轮的运动速度 利用该种驱动方式设计的机器人本体运动 灵活 可实现零回转半径 方向控制精度高 该设计结构简洁 可维护性强 整个系统由于采取步进电机 不 仅使成本大大降低 而且避免了减速器 编码器等的选型 装配等一 系列问题 简化了电路 提高了系统的可靠性 减小了机器人的体积 和重量 3 1 43 1 4 步进电机控制步进电机控制 由于步进电机结构上的特点 在一些要求高速度或平衡运行的场 合就必须有一个逐步升速的过程 否则步进电机会失步 临到终点必 须有一个减速过程 否则会造成过冲 8 9 在设计控制方式中本文 充分考虑到以上因素的制约 通过曲线拟合逐步升降频 图 3 6 步进电机升降频曲线 通过多次实验对比验证本文得出结论 曲线规律 如二次式 的 加减速方案较直线式的方案在同样的拟合原理之下更具优势 图 3 6 a 是匀加 减速曲线 由于电机的电磁转矩与转速是非线性关 系 如按线性关系加速时易造成转矩不足而失步 图 3 6 b 的曲线 基本上可以满足转矩与加速过程的关系 本系统拟合出的升降频曲线 方程为 3 1 05197080997608271 94811410997608271 2 2 x x y x x y 升升 升升 在逐球机器人中 系统通过图像处理 配合 PD 控制算法 计算 出机器人的轮速 通过无线通讯发送出去 DSP 接收到指令后控制 17 机器人的运动 具体控制算法详见第 5 章 3 23 2 无线通讯子系统无线通讯子系统 3 2 13 2 1 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用 主机的控制指令通过计算机串口送至无线通讯模块 经过调制后 发送出去 机器人上的通信接收器接收信号并解调 然后传送给车载 微处理器 为了实现一对多的通信 一般都采用广播式传送 所有机 器人采用统一的通信频率 而发给不同机器人的命令则根据各自的标 识位加以区分 即每个机器人都能够接收到上位机发送的任一条命令 如果机器人检测出数据的某一个字节与自己的标识相符 则随后的命 令被判断为有效 即要执行的命令 3 2 23 2 2 芯片选型芯片选型 蓝牙技术作为一种短距离的无线链接技术 具有稳健性 低复杂 性 低功耗性等特点 10 11 基于蓝牙技术的 NRF905 是一种高性 能嵌入式的无线发送 接收芯片 其由频率合成器 接收解调器 功 率放大器 晶体振荡器和调制器组成 具有体积小 通信距离远 通 信速度快等优点 其中心频率为 430 868 915MHZ 具有高抗干扰 GFSK 调制 数据传输速率 50Kbps 独特的载波监测输出 地址匹 配输出 数据就绪输出特性 它内置完整的通信协议 CRC 可广泛 适用于遥控机器人 无线报警及安全系统 水文气象监控 无线监测 家庭自动化等诸多领域 12 图 3 7 由 NRF905 构成的 PTR8000 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 18 由 NRF905 构成的 PTR8000 模块 如图 3 7 所示 它支持一对 一和一对多的链接方式 在一对多的模式中 多个蓝牙结点共享传输 通道 两个或多个 最多 8 个 链接的结点构成微微网 piconet 在一个 piconet 中 所有的结点都是对等的 但在 piconet 网建立与 持续期间 其中一个设备被指定为主结点 其余设备被指定为从结点 而且调频的顺序由主结点的地址和时钟频率决定 主结点通过轮询的 方式查找从结点 从结点只有在被主结点轮询到以后 才能占用通信 信道 而且从结点之间不能直接进行数据通信 13 14 机器人整体 性能的提高要求通信子系统在通信速度 通信质量等方面不断地予以 改进和提高 3 2 33 2 3 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口 本文采用基于蓝牙技术的高性能无线通讯模块 PTR8000 和 DSP 构成无线通讯子系统 PTR8000 的硬件接口由 10 个数字输入 输出 I O 组成 模式控制接口由 TRX CE TX EN PWR 组成 控制 PTR8000 的四种工作模式 表 3 1 PTR8000 四种工作模式 PWRTRX CETX EN 工作模式 0XX 掉电模式 10X 待机模式 110 接收 111 发射 本系统采用 DSP 对 PTR8000 进行控制 硬件接口电路如图 3 8 所示 图 3 8 PTR8000 与 DSP 硬件接口 19 3 2 43 2 4 软件编程软件编程 由于与 RF 协议相关的高速信息处理部分已经嵌入在模块内部 PTR8000 可与各种低成本单片机或 DSP 等高速处理器配合使用 PTR8000 提供一个 SPI 接口 速率由微控制器设定的接口速度决定 在 RX 模式中 地址匹配 AM 和数据准备就绪 DR 信号通知 DSP 一个有效的地址和数据包已经各自接收完成 微控制器即可通过 SPI 读取接收的数据 在 TX 模式中 PTR8000 自动产生前导码和 CRC 校验码 DR 信号通知 DSP 数据传输已经完成 15 1 配置编程 上电以后 DSP 首先配置 PTR8000 模块 先将 PWR TXEN TRX CE 设为配置模式 DSP 通知 SPI 将配置数据 移入 PTR8000 模块 在掉电和待机模式工作后 配置内容仍然有 效 配置数据只有当电源撤除后才会丢失 2 发射模式 当 DSP 有数据要发送时 通过 SPI 接口 按时序把接收机的地址 和有效数据送传给 PTR8000 SPI 接口的速率在通信协议和器件 配置时确定 DSP 置高 TRX CE 和 TX EN 启动 nRF905 的发送 PTR8000 内部处理 a 无线系统自动上电 b 数据打包 加字头和 CRC 校验码 c 发送数据包 AUTO RETRAN 被置高 PTR8000 将不断重发 直到 TRX CE 被置低 当 TRX CE 被置低 PTR8000 发送过程完成 自动进入空闲模 式 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 20 图 3 9 PTR8000 发射时序图 3 接收模式 当 TRX CE 为高 TX EN 为低时 nRF905 进入 RX 模式 650us 后 PTR8000 不断监测 等待接收数据 当 PTR8000 检测到同一频段的载波时 载波检测 CD 被置高 当接收到一个相匹配的地址 地址匹配 AM 被置高 当一个正确的数据包接收完毕 PTR8000 自动移去字头 地址和 CRC 校验位 然后把数据准备好引脚置高 DSP 把 TRX CE 置低 PTR8000 进入待机模式 DSP 通过 SPI 口 以一定的速率把数据移到 DSP 内 当所有的数据接收完毕 nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配 引脚置低 图 3 10 PTR8000 接收时序图 21 当正在接收一个数据包时 TRX CE 或 TX EN 引脚的状态发 生改变 nRF905 立即把其工作模式改变 数据包则丢失 当微处 理器接到地址匹配引脚的信号之后 其就知道 nRF905 正在接收数 据包 其可以决定是让 nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个 工作模式 3 2 53 2 5 通信协议设置通信协议设置 PTR8000 使用半双工模式 当信息量过大时 有可能发生通信死 锁 所以应考虑通信协议的设计 当机器人工作在基于视觉闭环自治 的无线控制系统 逐球机器人 模式时 命令控制字的具体通信格式 如下 其中 1 2 3 4 为 工作模式 1 2 3 为 号机器人小车 i A iii S ii 标识 1 2 3 为 号机器人小车左轮速度 1 2 3 i L iii R i 为 号机器人小车右轮速度 i 上位机一次性将机器人的控制命令打包发送 每个小车都能接收 上位机发送的每一条指令 然后进入相应中断程序并执行相关指令 在当机器人工作在基于人的思维判断的反馈式无线控制系统 近地侦 察 模式时 除了主控制台给机器人发送指令 机器人也实时地给主 控制台发送 GPS 信息 具体通信格式为 i E i W i T 其中 1 2 3 4 5 为发送的经度信息 1 2 3 为发 i E ii W i 送的纬度信息 1 2 3 4 5 为高精度 PPS 时钟输出 i T i 3 3 2 6 2 6 通信传输距离的计算通信传输距离的计算 自由空间是无线通讯的理想传播条件 其数学模型为 3 2 lg20 lg2044 32 MHzfkmddBLfs 式中 为传输损耗 为传输距离 为通信频率 系统中传输频 fs Ldf i A i S i L i R 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 22 率为 433 92MHz 发射功率为 10dBm 接收灵敏度为 95dBm 计算出 9 78km 这是理想状况下的传输距离 在实际的应用中低于该值 因d 为无线通讯要受到各种外界因素如大气 阻碍物的影响 将上述损耗 的参考值计入上式中 即可得出近似通信距离 根据系统外界情况 取大气 阻挡等造成的损耗经验值为 18dB 16 则 近似通信距离 1 23km 仍可满足机器人的传输距离要求 d 3 33 3 超声波子系统超声波子系统 3 3 13 3 1 超声波测距原理超声波测距原理 超声波发射器发出频率为 40kHz 的超声波信号 信号遇到固体 或液面等障碍物后反射回来 超声波接受器接收到反射回来的信号后 根据接收波与发射波的时间差 算出离障碍物的距离 距离计算的公 式为 3 3 vtS 2 1 其中 为所测得的距离 是超声波在气温为的速度 其试验Sv C0 值为 331 45 为超声波从发射到接收到第一个回波的时间 sm t 3 3 23 3 2 系统硬件接口系统硬件接口 因超声波在大气中的传播速度与温度有关 如时每秒为C0 331 36 米 20 摄氏度时每秒为 343 38 米 测距测温控制器应对随环 境温度变化的频率信号进行实时采样 系统将外界温度变化的数值进 行内部运算 并校正各种环境温度下测距的误差值 17 本文选用了 CJ 1 超声波测距板 该开发板选用 EFR 40RS16C 收发一体探头 测距范围 0 25 5 米 精度 同时具有三位 LED 显示障碍物的距 1 离 本文利用 DSP 高速 AD 转换接口和 CJ 1 超声波测距板构建超声 波硬件子系统 CJ 1 系统将实时采样到的与障碍物的距离信息以电 压形式传输给 DSP 的 AD 接口 DSP 高速处理超声波数据 通过避 23 障算法计算出左右轮速 通过运动控制子系统来调整运动方向的速度 大小 以达到初步自主避障 系统的基本结构如图 3 11 所示 CJ 1 发送和接 收电路 结果显示 电路 超声波 DSP AD 滤波 电路 图 3 11 CJ 1 与 DSP 硬件接口 3 3 33 3 3 数据处理数据处理 信号的处理和控制主要是通过 DSP 实现 DSP 将采集到与障碍 物距离对应的电压信号后 通过 DSP 进行 A D 转换 将模拟量转换 为数字量 然后进行硬件和软件的滤波处理 1 硬件滤波 采用外接 R C 电路的形式完成 结构图如下 输入输出 2 软件滤波 我们采用加权平均的方法对采集到的数字信号 进行处理 首先建立如下数组 1 x 2 x 3 x N x now x 为原先采集到的数字信号 为当前采集到的数字信 1 Nixi now x 号 下一时刻采集到信号将取代上一次的位置 放弃得值 now x now x 1 x 取代的位置 取代的位置 取代的位置 程序 2 x 1 x 3 x 2 x now x N x 设计如下 for i 0 i N i x i x i 1 x N now x 系统采用软件滤波算法对样本进行加权平均滤波 具体算法如下 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 24 3 4 N i Ni N i Nnowii pp pxpx x 1 1 2 2 其中为权值 为样本空间 i p 1 Nixi 3 3 43 3 4 结果误差分析结果误差分析 1 超声波在空气中传播的速度会受到温度 湿度 大气压力 等因素的影响 在这些因素中 温度对其速度的影响更大一些 因为 环境温度的变化更为经常 经过换算后的超声波距离计算公式为 3 5 15 16 273 16 273 freq Nv S 式中 为计数个数 为参考频率 为摄氏温度值 为Nfreq S 所求距离 根据平常条件下的温度可能值 考虑到程序中实现的方便 利用 查表法来做温度补偿 所用到的温度与对应速度值如表 3 2 所示 17 温度值 C 1001020304050 速度 sm 325 5331 5337 5343 5349 5355 5261 5 表 3 2 超声波在不同温度下对应的速度表 2 因为超声波在空气中传播会随着距离的增大逐渐衰减 所 以测得的距离不一定是第一个回波的过零点触发 3 超声波传播速度的变化影响着测距的精度 经过温度补偿 后的精度有明显提高 4 超声波波束的集中度对测距精度会产生明显影响 另外现 场环境等因素也会对测量结果产生影响 25 3 43 4 无线图像传输子系统无线图像传输子系统 摄像头采集到模拟视频 将该视频小波变换后 通过量化器编码 再经过容错处理后 通过无线通讯通道发送出去 接收方将接收到的 信号解调后 经过纠错处理 逆量化编码处理后 再进行小波逆变换 转换到时域空间 还原原来的视频图像 图 3 12 是无线图像传输的 原理图 图3 12 无线图像传输原理图 本设计采用无线图像传输卡 视频采集卡及 PC 构成无线通讯子 系统 具体接口示意图如下所示 图3 13 无线图像传输结构框图 无线信号接收端实时接收到摄像头传送回来的数据 通过视频采 集卡及相应的程序在电脑上显示出来 主控制台工作人员可以根据图 像和 GPS 地理位置来判断机器人下一步要进行的动作 然后给出相 应指令 无线控制机器人运动 本文选用 JML 公司生产的 WS 212CDS 如图 3 13 所示 该产品具有夜视功能 夜视距离达 25 米 水平清晰度为 380 电视线 传输距离在空旷地为 100 米 发射和接受频率为 1 2G 2 4G 可选 灵敏度均为 18dB 18 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 26 图 3 14 WS 212CDS 产品 3 53 5 GPSGPS 辅助导航子系统辅助导航子系统 基于人的思维判断的反馈式机器人 灵狐 利用 GPS 进行辅助定 位导航 GPS 测得当地的经纬度 通过无线通讯模块实时传送给主 控制台 主控制台将接收的 GPS 地理位置信息实时显示出来 并综 合利用接收到的信息和其它信息控制机器人运动 3 5 13 5 1 GPSGPS 定位原理定位原理 GPS 定位基本原理采用测量学中的测距交会定位法 GPS 接收 机同时接收到 3 颗以上的 GPS 卫星信号 测量出测站点至卫星的距离 并通过导航电文解算出该时刻 GPS 卫星的空间坐标 然后运用测距交 会法算出接收机天线中心的空间位置坐标 由于 GPS 采用了单程测距原理 又难以保证同步卫星时钟和用 户接收机时钟的严格同步 所以 实际观测的测站点至卫星之间的距 离 均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响 习惯上称之为伪距 卫星的时钟误差可以应用导航电文中所给出的有关时钟差参数加以修 正 但是难以确定接收机的时钟误差 通常把它作为一个未知参数 与观测站的坐标参数在数据处理中一并求解 19 下面采用动态绝对定位法求解未知参数和测码伪距观测方程 若 取符号 卫星发射信号时的理想GPS时刻 j 41 js j 接收机收到该卫星信号时的理想GPS时刻 i 1 i iR 卫星发射信号时的卫星时钟时刻 j t j s 27 接收机收到该卫星信号时的接收机时钟时刻 i t i R 卫星的信号到达观测站的传播时间 j i t j s i R 卫星时钟相对理想GPS时钟差 j 接收机时钟相对理想GPS时钟差 i 可以得到 3 6 j i j i j i j i iii jjj ttt t t 定义卫星与观测站的几何距离为相应的伪距为则在忽略大 R j i j i 气折射情况的情况下 由上式可得 3 7 j i j i j i j i j i j i tcRcctc 为了统一计算的时间标准 式 3 7 可近似的写为 3 8 i j ii j ii j i ttctRt 由于各卫星之间的同步差可保持在20ns以内 忽略这一影响 并 掠去观测历元 的下标 则 3 8 式可以改写成 i t 3 9 d j i tttttctRt j Ti j Igii j i 其中为接收机中相应历元t的钟差 为对于观测历元t tti t j Igi 电离层折射对测码伪距的影响 对流层折射对测码伪距的影响 t j Ti 卫星轨差 观测噪声 dt 在实际应用中 对上式中的7个未知量正交处理 20 只剩下4个 未知量 3个接收机坐标和1个接收机的时钟误差 这样就可得到4个 方程 即 3 10 iiii iiii iiii iiii tc z z y y x x tc z z y y x x tc z z y y x x tc z z y y x x 2424244 i 2323233 i 2222222 i 2121211 i 求解上述四个方程 便可得到每一时刻接收机的钟误差和位置 基于 DSP 无线通讯的多功能机器人 灵狐 的研究与实现 28 3 5 23 5 2 产品选型产品选型 GARMIN 的GPS OEM产品为12 通道GPS 接收机 功耗非常小 数据更新率为每秒一次 能够快速定位 其优良的性能既能够满足陆 地导航的灵敏度需求 也能够满足飞行器的动态需求 在设计上 在 设计上 这些GPS 接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技 术 在达到高性能的同时减小了体积和功耗 其中全部的重要元器件 包括RF IF 接收机硬件和数字基带部分 都是由GARMIN 来设计和 生产的 以保证其质量和性能 GARMIN 的GPS 接收机OEM 板从硬件和软件上都十分易于使 用 非常适合做系统集成 最简单的系统 除GPS 外还要包括外部 电源和GPS 天线 与GPS 系统的通信可以通过RS232 或CMOS 电平的串行口来实现 GPS 接收机OEM 板中可以将卫星轨道参数 上次定位位置 时间 和日期等数据保存在静态存储器 接收机内部有备用电池来为存储器 供电 GPS15L的电源系统为3 3V 5 4V宽电压范围供电 其接收机 灵敏度最小可达 165dBW GPS15L的定位精度小于15 米 95 速度精度为0 05 米 秒RMS 稳定状态 差分精度小于5 米 95 PPS 秒脉冲 精度在 1 微秒范围内 在GPS 接收机定位后 在相应的管脚上就会产生高精度的PPS 信号 接收机所传输的信息以秒脉冲作为时间基准 秒脉冲的默认宽 度是100ms 也可以通过PGRMC 命令将其设置为从20ms 到9