摘要：智能交通系統是21世紀城市交通的發展方向，移動機器人作為智能車輛控制系統實驗平臺的一個主要部分，對智能交通系統的關鍵技術的研究具有十分重要的意義。介紹了面向智能交通系統的SJTNC-1移動機器人的組成和結構，并詳細敘述了基于數字信號處理器TMS320LF2407A的控制系統的設計和實現。
關鍵詞：智能交通系統 移動機器人 數字信號處理器

智能交通系統(ITS)的概念是美國智能交通學會于1990年提出的，它將先進的信息技術、通信技術、自動控制技術、電子技術及計算機處理技術綜合運用于整個運輸管理系統中，通過對交通信息的采集、傳輸和處理，對交通運輸進行協調和管理，建立起實時、準確、高效的綜合交通運輸管理體系，從而提高了交通效率和安全了，實現性交通運輸服務和管理的智能化。

智能車輛的導航與定位、自動駕駛與控制和車輛的預警防碰等智能交通系統關鍵技術的研究，近年來受到國內外越來越廣泛的關注，也取得了豐碩的成果。但真正的實驗研究還是很少，基本上只進行了仿真試驗。鑒于理論上的模擬和實際應用情況可能相差甚遠，選擇了具有智能性、易擴展性和移動性等優點的車型移動機器人作為ITS關鍵技術的研究平臺中的主要部分——車輛模擬器。

本文所闡述的移動機器人SJTNC-1，就是面向ITS提出的。考慮到關鍵技術研究中需進行大量的計算，如模糊控制、卡爾曼濾波和路徑導引等，并且系統對數據的實時性要求很高，所以采用數字信號處理器(DSP)作為移動機器人主控CPU。

1 TMS320LF2407A簡介

TMS320LF2407A(以下簡稱F2407)是TI公司在TMS320系列DSP的基礎上，專為數字電機控制而設計的。除了具有一般DSP的改進的哈佛結構、多總線結構和流水線結構等優點外，它還采用高性能靜態CMOS技術，電壓從5V降為3.3V，減少了功耗。并且指令執行速度提高到40MIPS，幾乎所有指令都可以在25ns的單周期內完成。如此高的運算速度使其可以通過采用高級控制算法如模糊控制、卡爾曼濾波以及狀態控制等來提高系統的性能。而且，它具有電機控制應用所必需的外設，如：32K片內FLASH、2K單訪問RAM、串行外設接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、兩個事件管理模塊、16通道雙10位A/D轉換器和CAN控制器模塊。

2 移動機器人的運動機構

考慮到該移動機器人是面向ITS的，所以采用的是車型結構(四輪結構)。前兩輪通過減速比為8：1的齒輪減速機構與轉向電機進行連接，實現移動機器人的轉向功能；后兩輪通過減速比為6：1的齒輪減速機構與驅動電機進行連接，實現移動機器人的驅動。電機的選型可根據實際情況選擇小型步進電機或小型直流電機。這里選用的是瑞士Minimotor公司生產的直流電機，這種電機具有體積小、轉矩大等特點。

3 移動機器人控制系統

控制系統以控制器F2407為核心，由無線通信、電機驅動、速度傳感器、數字羅盤、差分GPS(DGPS)接收機和4轉1串口通信模塊等組成，如圖1所示。無線通信模塊根據自行約定的通信協議接收上位機的規劃好的路徑信息，整個控制系統通過控制驅動電機和轉向電機使移動機器人跟蹤該路徑行駛。電機采用PWM調速方式，其中驅動電機采用雙閉環(速度和電流)PID控制策略，而轉向電機則通過把數字羅盤的航向信息作為轉向的反饋量進行PID控制。整個控制系統把DGPS接收機的位置信息作為系統的位置反饋信息，用以完成整個系統的位置閉環控制。

3.1 無線通信模塊

MC35是德國西門子公司生產的可二次開發的支持GPRS的雙頻GSM模塊，可以通過標準串口與PC機相連。本系統用MC35作為移動機器人與上位機的通信模塊。它具有GPRS技術帶來的一切優點，如一直在線和提供高速價廉的數據傳送服務等。該產品的特性如下：

·支持雙頻：EGSM900/GSM1800
·支持GPRS Class8協議
·支持數據、語音、短消息和傳真服務
·采用電路交換方式，最大傳送速率為14.4kbps
·支持的電壓范圍：8V～30V
·采用標準工業接口
·體積：65mm×74mm×33mm
·重量：130g

3.2 驅動模塊

驅動電機和轉向電機的驅動原理相同，都采用脈寬調制(PWM)方式進行調速，PWM信號由F2407產生。驅動電路采用H全橋方式，由4個達林頓管(2個TIP132和2個TIP137)、4個IN4001二極管及與非門組成。電路原理圖如圖2所示。當PWM2、PWM4為低電平而PWM1、PWM3為高電平時，T1、T4飽和導通，T2、T3截止，電流從T1→電機→T4，電機正轉；反之，當PWM1、PWM3為低電平而PWM2、PWM4為高電平時，T2、T3飽和導通，T1、T4截止，電流從T2→電機→T3，電機反轉。

為防止T1、T3或T2、T4同時導通，形成短路而擊穿器件，要用一對無重疊的PWM輸出去正確地開啟和關斷這兩對管子。在一個管子關斷和另一個管子開啟之間加入死區時間，這樣就使得一個管子開啟前，另一個管子已完全關斷。F2407具有死區控制單元是其一大特色，從而可用軟件確保功率電路上下橋臂開關元件的開通區間沒有重疊，簡化了硬件電路設計，提高了可靠性。

3.3 4轉1串口通信模塊

由于DGPS接收機、磁羅盤、里程計和MC35通信模塊都采用RS-232異步串行通信，而F2407只有一個串行口，所以必須將4個串口數據通過轉換處理來完成與F2407的串口通信。為此研制了基于分時復用方法的4轉1串口通信模塊。當F2407需要某個傳感器(或無線通信模塊)的數據時，就通過電路選通該傳感器占用F2407串口進行通信；當需要另外傳感器或無線通信模塊數據時，則關斷上次傳感器的選通，同時選通該次傳感器或無線通信模塊。4轉1串口通信模塊由3-8譯碼器74LS138、三態輸出的四總線緩沖門74LS125和電平轉換器MAX232等組成，其電路原理圖如圖3所示。

3.4 定位傳感器

3.4.1 DGPS接收機

GPS(全球定位系統)是基于衛星的無線電導航系統，它提供一種廉價實用的可在全球范圍內確定位置、速度和時間的工具。GPS由24顆衛星(21顆工作星、3顆備份星)組成星座，星座分布在與地球赤道面傾角為55°的6個軌道面上，其運行周期為11小時58分，軌道半徑為20200km，各軌道面夾角為60°。每顆衛星向地球發射L頻段的特高連續波，調制兩種偽隨機碼(軍用高精度保密P碼和民用C/A碼)。這樣的分布特點保證了用戶在地球上任何地點、任何時間至少可以連續地收到4顆以上衛星的導航信號，從而聯立解算出接收機的三維坐標以及接收機和GPS間的時間偏移。三維坐標采用ECEF笛卡兒坐標系或大地坐標系如WGS84。