基于F2407A和TMS320LF2407A芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：許松清，吳海彬，林宜，高洪張

引 言

機(jī)器人技術(shù)融合丁機(jī)械、電于、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的理論與技術(shù)，是當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域技術(shù)的綜合體。移動型機(jī)器人主要用于對一些危險和未知的地域進(jìn)行探索，例如是探索外星地表、進(jìn)行引爆地雷等都需要使用到移動型機(jī)器人。半自主遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人由于具有較強(qiáng)的活動能力、良好的可控性等特點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)、國防等各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在半自主遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人的控制操作中，需要人的參與。因此需要有一個人機(jī)交互通道，把人的指令傳遞給機(jī)器人執(zhí)行，同時機(jī)器人也可以把采集到的現(xiàn)場信息反饋紿人。本文基于移動機(jī)器人原理，設(shè)計(jì)了兩輪驅(qū)動半自主移動機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 遠(yuǎn)程控制移動機(jī)器人系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體由遠(yuǎn)程控制平臺、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及本地機(jī)器人小車三個大部分組成。DSP是本地機(jī)器人小車的控制核心。TI公司的TMS320LF2407A芯片具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)體系，采用了流水線技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，而且采用了高性能靜態(tài)CMOS/技術(shù)，把芯片運(yùn)行電壓降低到3.3V，大大減少了芯片的功耗。其CPU具有很高酌處理速度，頻率可以達(dá)到40 MHz，很多復(fù)雜的算法在系統(tǒng)控制中得以實(shí)施。此外，它還集成了32 KB閃存、16個脈寬調(diào)制(PWM)通道、1個CAN模塊，以及1個超高速的500 ns的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等功能強(qiáng)大的外設(shè)。

整個系統(tǒng)以F2407A為控制器的核心，擴(kuò)展了機(jī)器人本體的人機(jī)接口(LCD顯示及按鍵)模塊、環(huán)境攝像模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊、光電編碼器反饋模塊以及GPRS人機(jī)交互模塊等。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 機(jī)器人小車的定位模塊

機(jī)器人定位模塊主要由電機(jī)及其驅(qū)動電路、機(jī)械傳動系統(tǒng)及光電編碼器等組成。驅(qū)動輪和光電編碼器之間采用齒輪傳動，傳動比為i，光電編碼器的分辨率為N(即編碼器每旋轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖數(shù))，驅(qū)動輪的半徑為r，則編碼器每輸出一個脈沖，對應(yīng)的輪子在地面走過的距離為

電機(jī)控制采用脈寬調(diào)制(PWM)的調(diào)速方式，并以DSP自帶的正交編碼脈沖(QEP)電路采集光電編碼器的反饋信息，對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)PID控制。利用QEP電路捕捉光電編碼器的反饋信號可以簡化程序的編制，同時采用PID控制原理，可以提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

電機(jī)驅(qū)動原理圖如圖2所示。驅(qū)動主芯片為L293B，L293B直流電機(jī)驅(qū)動芯片允許電壓范圍在4.5"36V，內(nèi)有四重推挽(雙重H橋集成功放電路)驅(qū)動電路，兩個通道可以向各自的電機(jī)提供l A的驅(qū)動電流，并且如果芯片過熱，芯片能夠自動關(guān)斷，保障系統(tǒng)不受損壞。當(dāng)A向、B向?yàn)楦唠娖綍r，則電機(jī)A、B電流分別由3腳流向6腳和11腳流向14腳，電機(jī)正轉(zhuǎn);反之，當(dāng)A向、B向?yàn)榈碗娖綍r，電機(jī)電流分別由6腳流向3腳和14腳流向11腳，電機(jī)反轉(zhuǎn)。此時，可以用PWM控制芯片上電機(jī)使能腳的通斷時間比來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，F(xiàn)2407A型DSP芯片支持PWM輸出，因此可以很方便地對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

由于DSP芯片自帶有正交編碼器捕捉模塊，因此該部分的電路設(shè)計(jì)比較簡單。光電編碼器輸出的正交脈沖信號經(jīng)過非門加以穩(wěn)定，進(jìn)入DSP芯片的QEP電路被CPU捕獲并識別，再將識別后的信息作為PID控制算法的反饋輸入。

1.2 LCD顯示及攝像模塊

LCD顯示模塊和攝像模塊的數(shù)據(jù)格式都是8位，與單片機(jī)等微控制器的接口靈活簡單。攝像模塊可以輸出經(jīng)壓縮后的JPEG格式圖像，因此數(shù)據(jù)量較小，減輕了控制器數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，同時縮短了GPRS傳輸一幀圖像的時間，實(shí)時性更好。F2407A提供了豐富的I/O接口，用I/O口可以很方便地對LCD模塊和攝像模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀取。由于LCD模塊的數(shù)據(jù)是寫入的，而攝像模塊的數(shù)據(jù)是讀出的，因此可以分時復(fù)用同一組I/O口，而不會發(fā)生沖突。經(jīng)設(shè)計(jì)，用不同的控制線分別控制這兩個模塊的使能端以實(shí)現(xiàn)分時復(fù)用，均用DSP的I/OPB0"I/OPB7作為它們的數(shù)據(jù)接口。

2 GPRS無線圖像傳輸

GPRS(General Packet Radio Selvice)是一種基于包的無線通信服務(wù)。它是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以給移動用戶提供無線分組數(shù)據(jù)接人服務(wù)。GPRS主要是給移動用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，從而給移動用戶提供高速無線IP和無線X.25業(yè)務(wù)。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是：

◇傳輸速率高;

◇實(shí)時在線;

◇按流量收費(fèi);

◇不受距離遠(yuǎn)近的影響;

◇快捷登錄。

2.1 GPRS組網(wǎng)方式

在本系統(tǒng)中，利用GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳輸。機(jī)器人小車傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)主要包括現(xiàn)場圖像信息和小車當(dāng)前定位信息;遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺傳給小車的主要是指令信息。

GPRS圖像采集模塊由采集終端、DSP外圍接口、GPRS收發(fā)器、PC機(jī)接口及監(jiān)控中心軟件組成。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)采集后，由DSP串口傳輸給GPRS收發(fā)器1，由收發(fā)器l將圖像數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，再由GPRS收發(fā)器2將接收到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)串口，接著監(jiān)控中心軟件從PC機(jī)串口讀取數(shù)據(jù)并最終顯示在監(jiān)控中心界面上，完成現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)控。GPRS組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 圖像數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖像采集過程包括DSP串口通信初始化和圖像數(shù)據(jù)發(fā)送兩大部分。監(jiān)控中心發(fā)出采集圖像指令，經(jīng)GPRS模塊把信號傳輸給DSP串口，啟動DSP串口的中斷服務(wù)，采集攝像頭圖像數(shù)據(jù)，并經(jīng)由GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，完成一幀圖像的采集周期。圖像數(shù)據(jù)采集程序流程如圖4所示。

DSP芯片的軟件設(shè)計(jì)支持C語言、匯編語言以及兩者混合編程，由于本系統(tǒng)涉及到圖像數(shù)據(jù)處理、電機(jī)PID控制算法的實(shí)現(xiàn)和LCD顯示等，程序煩雜，編程工作量大，因此用混合編程的方法，可以較好地結(jié)合C語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn)，編寫出效率較高的程序代碼。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議分為兩部分，一部分是尸C機(jī)發(fā)送給DSP的控制指令，另一部分是DSP發(fā)送給PC機(jī)的反饋信息。數(shù)據(jù)的傳輸格式采用數(shù)據(jù)包形式，因此必須對每次需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，具體的數(shù)據(jù)包類型如下;

其中數(shù)據(jù)包的各單元定義如下：

◇起始標(biāo)志位是一個字節(jié)，固定值0x00;

◇控制字是一個字節(jié)，值范圍為0x0l"0xff，具體代表的數(shù)據(jù)類型見2.3.1和2.3.2;

◇數(shù)據(jù)長度單元是兩個字節(jié)，值范圍為0x0001"0xffff，其中低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，表示待發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù);

◇待發(fā)送數(shù)據(jù)單元的字節(jié)數(shù)不定，內(nèi)容由具體發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容決定;

◇數(shù)據(jù)校驗(yàn)單元是一個字節(jié)，值為待發(fā)送數(shù)據(jù)的各個字節(jié)相異或得出;

◇結(jié)束標(biāo)志位是一個字節(jié)，固定值為0x01。

2.3.1 PC機(jī)到DSP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

PC機(jī)發(fā)送給微處理器DSP的數(shù)據(jù)類型包括采集圖像指令、給定機(jī)器人行走類型和應(yīng)答反饋指令等。DSP接收到PC機(jī)送出的各類指令后，讀取數(shù)據(jù)內(nèi)容，然后把數(shù)據(jù)內(nèi)容的各個字節(jié)相異或，再把相異或得出的值與接收到的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，若相等則向PC反饋數(shù)據(jù)接收正確，進(jìn)而轉(zhuǎn)入對應(yīng)指令的中斷服務(wù)程序;若不相等則向PC機(jī)反饋數(shù)據(jù)接收出錯，申請重新發(fā)送指令。各指令定義如

表1所列。

2.3.2 DSP到PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

DSP發(fā)送到PC機(jī)的數(shù)據(jù)類型主要包括機(jī)器人當(dāng)前位置反饋數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)以及DSP應(yīng)答反饋指令等。PC機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行校驗(yàn)的處理過程和上節(jié)介紹的DSP接收數(shù)據(jù)后的處理過程一樣。機(jī)器人小車在行走的過程中，每隔一段時間會將自身當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時路徑跟蹤，同時當(dāng)DSP接收到上位機(jī)發(fā)出的采集圖像指令后，進(jìn)行圖像采集，然后把采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行圖像顯示，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人小車周圍環(huán)境信息的實(shí)奔囁亍>嚀宓鬧噶疃ㄒ迦綾?所列。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

監(jiān)控中心軟件采用Delphi高級語言編制。在“控制指令”一欄中輸入Ol(Ol代表采集圖像指令)，點(diǎn)擊“發(fā) 送”，隨后監(jiān)控界面的“圖像監(jiān)控”欄會顯示攝像頭采集到的遠(yuǎn)程環(huán)境信息。

實(shí)驗(yàn)時，攝像頭的分辨率調(diào)整為320×240，兩個GPRS收發(fā)器分別在相距4 m左右的房間兩端，圖5顯示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)和DSP技術(shù)的半自主移動機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。同時在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，GPRS傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時性是有限的，雖然理論上傳輸速率高達(dá)171 kb/s，但實(shí)際上受多種因素的影響，實(shí)際速率較低，傳輸一幀3K的JPEG格式圖像大約需要3O"60s的時間。因此，如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時性是本系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)。

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