本文采用了無線射頻識別技術(shù)、紅外線距離傳感技術(shù)和地磁感應電子羅盤相結(jié)合的方法，設計出了一種基于DSP控制的信息融合的自主移動的機器人的導航與控制系統(tǒng)。

并且在設計的過程中根據(jù)實際情況的需要，對傳統(tǒng)的紅外避障傳感器進行了一些改進，同時，對信息融合狀態(tài)下的DSP系統(tǒng)的驅(qū)動架購設計，作出了一些研究和論述。給出了小型機器人的運動控制的驅(qū)動電路的設計。最后，對這種架構(gòu)下的自行設計出來的機器人，在超級市場中進行了實際的穩(wěn)定性測試。

1 前言

隨著科學技術(shù)發(fā)展和人民生活水平提高，機器人已經(jīng)開始進入了人們的生活中。這個時代的來臨，出現(xiàn)了各種新型機器人，如清掃機器人、安防機器人。移動機器人的最重要的部分之一：導航系統(tǒng)，更加引起機器人領(lǐng)域的關(guān)注。機器人導航系統(tǒng)對許多機器人應用領(lǐng)域至關(guān)重要如：智能倉庫，超市導購，家用機器人，自動化圖書館，智能醫(yī)院等。比較普遍的是尋線機器人。作者在讀研期間，多次參加這類機器人比賽和設計。實際設計中發(fā)現(xiàn)：因為受到固定線的限制，這種體系并不能實現(xiàn)真正意義上的全方位的自主運行。另外，這種方法受到光的影響很大，不能實際的應用與生活中。線在地表也會影響地面美觀。在經(jīng)過充分的文獻查找和思考后提出了一種新的機器人導航系統(tǒng)，把RFID，地磁感應，DSP等技術(shù)融合。進行了實際的系統(tǒng)硬軟件設計和穩(wěn)定性測試。

2 導航硬件系統(tǒng)

我們開發(fā)的硬件系統(tǒng)主要由：DSP核心板,RFID板,系統(tǒng)主板，電子羅盤，驅(qū)動板構(gòu)成。

2.1 DSP核心板

我們自行設計的DSP系統(tǒng)采用TMS320F2812為核心，2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。核心采用高速的處理機，主要是考慮以后對于系統(tǒng)的二次開發(fā)。以及方便算法的移植。指令系統(tǒng)最高可在150MHZ主頻下工作，并帶有18k的0等待周期片上SRAM和128k片上存取時間為36ns FLASH。其片上外設主要包括ADC、雙SCI、SPI、McBSP、eCAN等，并帶有事件管理模塊（EVA、EVB），分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時器。其中的雙SCI可以一路接傳感器一路接PC及時輸出調(diào)試信息。16位的PWM可以實現(xiàn)精細的調(diào)速。CAP等方便了與傳感器的接口。最大輸入為3V的16路、12位,轉(zhuǎn)換時間為80ns的ADC可以同時接16路距離傳感器。2812擁有16×16位雙乘法累加器，可以為處理射頻和地磁方向信號提供足夠的處理速度。由于2812核心電壓（1.8V）和起振頻率的特殊性，此核心板采用無源晶振。

核心板采用TPS767D318雙路輸出低壓降LDO。提供雙電源，保證了核心電壓1.8V的穩(wěn)定供給。TPS767D318有高速的瞬態(tài)響應，專用于DSP，最大可以提供1A的電流。可以實現(xiàn)對IO和核心的分時復位。有上電復位功能，低壓保護功能，其復位延遲時間為200ms。有過熱保護功能。最大功率計算可以用式1計算。

其中TJMAX是最大允許溫度，根據(jù)經(jīng)驗一般TPS767D318為125度左右。TA是環(huán)境溫度。RθJA是連接阻抗。對于28管腳通常為27.9°C/W。實際的功耗可由式2計算，其中VI和VO分別為輸入輸出電壓，IO為輸出電流。

在外圍電壓濾波方面采用多級坦電容（104和220uF）并聯(lián)的方式。這樣的設計可以產(chǎn)生低ESR的效果。根據(jù)經(jīng)驗，在頻域，104能極大的濾除高頻干擾，而220uF能夠最佳程度的降低電壓的低頻干擾。

2.2 系統(tǒng)主板與傳感模塊

關(guān)于電源，系統(tǒng)采用12V鋰電池供電，采用三端正電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電壓。內(nèi)部集成功率保護。輸出電流可以達到1A。輸入耐壓可以到達30V。提供充電接口，通過開關(guān)進行控制，電路板上留有接口,可以對鋰電池進行充電。

定位裝置采用射頻技術(shù)（RFID）。RFID已經(jīng)成為一個熱門的技術(shù)。最近沃爾瑪通過了一項"要求其前100家供應商在2005年1月之前向其配送中心發(fā)送貨盤和包裝箱時使用RFID技術(shù)，2006年后逐步在單件商品中使用這項技術(shù)"的決議。從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞），在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型（雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機）。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標簽、閱讀器、天線。按作用距離可分為密耦合卡（作用距離小于1厘米）、近耦合卡（作用距離小于15厘米）、疏耦合卡（作用距離約1米）和遠距離卡（作用距離從1米到10米，甚至更遠）。本系統(tǒng)采用近耦合卡。射頻模塊與2812的SCIA口進行通訊。通過對數(shù)據(jù)流進行解碼，判斷機器人的位置。

接著是紅外避障模塊。一般機器人的避障可以采用紅外反射的方法，這在機器人比賽中比較普遍。GPIO控制紅外線的發(fā)射，然后如果遇到障礙物會反射回來，接收管子收到光線后引起電阻變化，檢測其電阻變化就可以判斷是否有障礙物了。但是這種方法容易受到光噪聲的干擾。所以距離比較近，一般只能達到2-3cm。本人在多次比賽中，經(jīng)過查資料和研究，提出了一種使用標準高頻信號38KHZ的紅外線進行障礙的探測的電路。因為使用高頻信號和高頻運放，有了一定的抗干擾能力，同時探測的距離的最大提高到8cm。首先，通過555發(fā)射紅外線。接著，信號通過紅外接收管后經(jīng)過隔直電容，送入高頻運放LM318N，如圖4。然后，經(jīng)過50倍的放大。如圖5和圖6。

圖 1 555發(fā)射電路

圖 2 頻率識別電路

圖 3 檢測放大電路
LM567是鎖相環(huán)電路， 8腳雙列直插封裝。第5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率。1、2腳通常分別通過一個電容器接地，產(chǎn)生輸出濾波網(wǎng)絡和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡。2腳接的電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。壓控振蕩器的中心頻率和濾波帶寬可由式子3和式子4決定。

（4）（其中Vi為輸入電壓）
然后是電子羅盤模塊。CMPS03 電子羅盤是平面角度傳感器。通過檢測當前傳感器與地球磁場直接的角度，電子羅盤可以獲得分辨率為0.1度的絕對旋轉(zhuǎn)角度。這個電子羅盤模塊是專門為機器人而制造，目的為了給機器人提供合適的方向?qū)Ш叫盘枴τ谌魏畏较颍伎梢陨瑟氁粺o二的編碼。該傳感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感應芯片，其精度很高。有兩種輸出方式，第一種：I2C方式，由Pin2（SCL）和Pin3（SDA）輸出。Pin7和Pin5必須懸空。Pin6用來進行校正。這些管腳都接到主板上，由于模塊是5V供電，而DSP是3.3V所以還需要用74LVC245進行電平轉(zhuǎn)換。通過2812的GPIOB通過Pin6對系統(tǒng)進行校正。校正只需要做一次，因為數(shù)據(jù)會保存在電子羅盤中的PIC單片機的EEPROM。第6腳有一個上拉電阻。進行校正只需要通過GPIO給Pin6一個負相脈沖，而且因為有上拉電阻，所以，此管腳與系統(tǒng)斷開也是可以的。