移動(dòng)機(jī)器人是集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)？。近年來(lái)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到廣泛的重視，仿照生物的功能而發(fā)明的各種移動(dòng)機(jī)器人越來(lái)越多，小到娛樂(lè)機(jī)器人玩具、家用服務(wù)機(jī)器人，大到工程探險(xiǎn)、反恐防爆、軍事偵察機(jī)器人等，人們已經(jīng)清楚地體會(huì)到地面移動(dòng)機(jī)器人作為移動(dòng)機(jī)器平臺(tái)的優(yōu)越性。移動(dòng)機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定式機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。相應(yīng)地，這些領(lǐng)域?qū)λ鶓?yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、靈活性、自主性、作業(yè)能力等方面的要求越來(lái)越高。避障與導(dǎo)航是移動(dòng)機(jī)器人研究的問(wèn)題之一。使移動(dòng)機(jī)器人無(wú)碰撞到達(dá)終點(diǎn)，需解決兩方面的基本問(wèn)題。一是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利用傳感器感知周?chē)粗h(huán)境；二是采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行路徑規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障。本設(shè)計(jì)是以TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407型DSP為，采集環(huán)境信息并控制智能小車(chē)，3個(gè)紅外發(fā)收傳感器檢測(cè)智能小車(chē)前方的障礙物，并且根據(jù)障礙物位置進(jìn)行自動(dòng)避障。

　　1 自動(dòng)避障小車(chē)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要由DSP控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源、測(cè)速以及視覺(jué)等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　小車(chē)為3輪結(jié)構(gòu)，前面2個(gè)輪分別由2個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制，后面1個(gè)萬(wàn)向輪作為支撐輪。小車(chē)安裝有3個(gè)紅外傳感器，分別位于車(chē)頭的左、中、右部位，用于采集環(huán)境信息。車(chē)體規(guī)格為：車(chē)身板距地7．5 cm，車(chē)長(zhǎng)25 cm，車(chē)寬12 cm，車(chē)輪半徑5．5 cm。速度控制采用定頻調(diào)寬的PWM調(diào)速，并應(yīng)用速度反饋和閉環(huán)PID控制，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)的速度和位置控制。

　　2 自動(dòng)避障小車(chē)的硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)以DSP TMS320LF2407A為，該DSP片內(nèi)資源豐富，12路脈寬調(diào)制(PWM)輸出。視覺(jué)模塊采用E3FDS3-0P1型紅外傳感器，有效探測(cè)距離為30 cm，探測(cè)角度30°。將3個(gè)紅外傳感器分別接至I／OPE接口的I／OPE4、I／OPE5和I／OPE6。12 V電源首先經(jīng)LM7805調(diào)壓到5 V，先將5 V電壓送入紅外傳感器，再送入MAX604降壓為3．3 V，如圖2所示。

　　采用L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)，0UTl，0UT2分別與小車(chē)的一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；OUT3，OUT4分別與小車(chē)的另一個(gè)電機(jī)的正負(fù)極相連；L298的INl和IN2引腳分別與DSP的IOPE0(方向4)、IOPE1(方向3)引腳連接，用于接收主控器件輸出的轉(zhuǎn)向電機(jī)的動(dòng)作指令，用于接收主控器件輸出的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)作指令，而ENA和ENB引腳分別連接到DSP的IOPE0(PWM3)、IOPEl(PWM4)引腳，用于控制電機(jī)的速度。

　　其電路原理圖如圖3所示。

　　L298分別控制并調(diào)整前面2個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，控制小車(chē)的前進(jìn)、后退、向左、向右、停止。小車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)，前面2個(gè)輪既是動(dòng)力輪又是方向輪，當(dāng)INl、IN2、ENA分別為l、0、1，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為0、l、l時(shí)，小車(chē)前進(jìn)；當(dāng)INl、IN2、ENA分別為1、O、l，同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為l、0、l時(shí)，小車(chē)右轉(zhuǎn)；當(dāng)INl、IN2、ENA分別為0、1，1，與此同時(shí)IN3、IN4、ENB分別為1、0、1時(shí)，小車(chē)左轉(zhuǎn)。

　　采用測(cè)速電機(jī)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此來(lái)判斷速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，其輸出經(jīng)過(guò)HD74HCl4P，送至DSP的PA3(CAPl)和PA4(CAP2)引腳，根據(jù)軟件設(shè)置使計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)上升沿進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)。如圖4所示。

　　3 自動(dòng)避障小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)

　　DSP每隔一段時(shí)間對(duì)I／OPE4，I／OPE5，I／OPE6這3個(gè)端口進(jìn)行查詢(xún)，沒(méi)有障礙物時(shí)這3個(gè)端口為高電平。即111，左邊有障礙物時(shí)為011，右邊有障礙物時(shí)為110。前方有障礙物時(shí)則為010。小車(chē)根據(jù)紅外傳感器接收的信號(hào)判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)作，如表1所示。

　　小車(chē)在普通情況下處于前進(jìn)狀態(tài)，當(dāng)T3定時(shí)器發(fā)生周期中斷時(shí)，進(jìn)入程序開(kāi)始檢測(cè)光電開(kāi)關(guān)的信號(hào)線端口，如果有障礙物則從避障程序中選擇一個(gè)執(zhí)行，如果沒(méi)有障礙物則小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)并且等待定時(shí)器的下中斷，其程序流程如圖5所示。

　　調(diào)節(jié)PID參數(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。先給小車(chē)右輪電機(jī)一個(gè)初始速度，讓小車(chē)以給定的初始速度運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。然后利用PID算法調(diào)速：在給定速度不變的情況下，每掃描程序。小車(chē)的實(shí)際反饋速度便與理想速度相比較，利用PID算法便可更新給定值。不斷更新給定值，直到實(shí)際速度與理想速度保持一致或者到下賦值則停止更新(ek=O)。程序流程如圖6所示，設(shè)右輪給定速度v對(duì)應(yīng)的理想速度為V，僅限右輪電機(jī)，b’為給定速度b對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度。

　　4 試驗(yàn)

　　安裝調(diào)試完成后，對(duì)小車(chē)性能進(jìn)行測(cè)試：

　　①小車(chē)的避障能力試驗(yàn)測(cè)試 錯(cuò)落擺放障礙物，讓小車(chē)向障礙物方向前進(jìn)，當(dāng)距障礙物約25 cm時(shí)，小車(chē)左轉(zhuǎn)，然后再向前。發(fā)現(xiàn)小車(chē)的傳感器對(duì)亮色反映比較明顯，比如遇到白色障礙物，小車(chē)會(huì)在30 cm外就發(fā)現(xiàn)障礙物并產(chǎn)生動(dòng)作；當(dāng)小車(chē)遇到黑色障礙物時(shí)，一般約在15 cm時(shí)才能感應(yīng)到障礙物。

　　②PID算法和PWM方法測(cè)試 分3次對(duì)小車(chē)進(jìn)行測(cè)試，每次要求避開(kāi)10個(gè)黑色障礙物。采用加入PID程序和PWM程序的小車(chē)進(jìn)行測(cè)試，小車(chē)3次分別避開(kāi)9、10、9個(gè)障礙物。試驗(yàn)表明加入PID算法和PWM方法的小車(chē)在調(diào)速方面明顯優(yōu)于不加入程序的，并在遇到障礙物時(shí)和避開(kāi)障礙物后都能夠快速調(diào)速，使小車(chē)避障能力大大提高。

　　5 結(jié)論

　　本文對(duì)避障小車(chē)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析后，提出了在DSPTMS320LF2407技術(shù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)小車(chē)自動(dòng)檢測(cè)前方障礙物，并給出躲避動(dòng)作方法。由于紅外傳感器探測(cè)信息有限，不能夠判斷障礙物的距離、大小及形狀等。如果使用攝像頭作為視覺(jué)探測(cè)系統(tǒng)，則可使避障小車(chē)性能更好，應(yīng)用范圍更廣泛。