摘要：智能交通系統(tǒng)是21世紀(jì)城市交通的發(fā)展方向，移動(dòng)機(jī)器人作為智能車輛控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的一個(gè)主要部分，對智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究具有十分重要的意義。介紹了面向智能交通系統(tǒng)的SJTNC-1移動(dòng)機(jī)器人的組成和結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)敘述了基于數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng) 移動(dòng)機(jī)器人 數(shù)字信號處理器

智能交通系統(tǒng)(ITS)的概念是美國智能交通學(xué)會(huì)于1990年提出的，它將先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)綜合運(yùn)用于整個(gè)運(yùn)輸管理系統(tǒng)中，通過對交通信息的采集、傳輸和處理，對交通運(yùn)輸進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理，建立起實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理體系，從而提高了交通效率和安全了，實(shí)現(xiàn)性交通運(yùn)輸服務(wù)和管理的智能化。

智能車輛的導(dǎo)航與定位、自動(dòng)駕駛與控制和車輛的預(yù)警防碰等智能交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，近年來受到國內(nèi)外越來越廣泛的關(guān)注，也取得了豐碩的成果。但真正的實(shí)驗(yàn)研究還是很少，基本上只進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。鑒于理論上的模擬和實(shí)際應(yīng)用情況可能相差甚遠(yuǎn)，選擇了具有智能性、易擴(kuò)展性和移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)的車型移動(dòng)機(jī)器人作為ITS關(guān)鍵技術(shù)的研究平臺中的主要部分——車輛模擬器。

本文所闡述的移動(dòng)機(jī)器人SJTNC-1，就是面向ITS提出的。考慮到關(guān)鍵技術(shù)研究中需進(jìn)行大量的計(jì)算，如模糊控制、卡爾曼濾波和路徑導(dǎo)引等，并且系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求很高，所以采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為移動(dòng)機(jī)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(chǔ)上，專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的。除了具有一般DSP的改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)外，它還采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，電壓從5V降為3.3V，減少了功耗。并且指令執(zhí)行速度提高到40MIPS，幾乎所有指令都可以在25ns的單周期內(nèi)完成。如此高的運(yùn)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(tài)控制等來提高系統(tǒng)的性能。而且，它具有電機(jī)控制應(yīng)用所必需的外設(shè)，如：32K片內(nèi)FLASH、2K單訪問RAM、串行外設(shè)接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、兩個(gè)事件管理模塊、16通道雙10位A/D轉(zhuǎn)換器和CAN控制器模塊。

2 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

考慮到該移動(dòng)機(jī)器人是面向ITS的，所以采用的是車型結(jié)構(gòu)(四輪結(jié)構(gòu))。前兩輪通過減速比為8：1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能；后兩輪通過減速比為6：1的齒輪減速機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)的選型可根據(jù)實(shí)際情況選擇小型步進(jìn)電機(jī)或小型直流電機(jī)。這里選用的是瑞士Minimotor公司生產(chǎn)的直流電機(jī)，這種電機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。

3 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)以控制器F2407為核心，由無線通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、速度傳感器、數(shù)字羅盤、差分GPS(DGPS)接收機(jī)和4轉(zhuǎn)1串口通信模塊等組成，如圖1所示。無線通信模塊根據(jù)自行約定的通信協(xié)議接收上位機(jī)的規(guī)劃好的路徑信息，整個(gè)控制系統(tǒng)通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)使移動(dòng)機(jī)器人跟蹤該路徑行駛。電機(jī)采用PWM調(diào)速方式，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用雙閉環(huán)(速度和電流)PID控制策略，而轉(zhuǎn)向電機(jī)則通過把數(shù)字羅盤的航向信息作為轉(zhuǎn)向的反饋量進(jìn)行PID控制。整個(gè)控制系統(tǒng)把DGPS接收機(jī)的位置信息作為系統(tǒng)的位置反饋信息，用以完成整個(gè)系統(tǒng)的位置閉環(huán)控制。

3.1 無線通信模塊

MC35是德國西門子公司生產(chǎn)的可二次開發(fā)的支持GPRS的雙頻GSM模塊，可以通過標(biāo)準(zhǔn)串口與PC機(jī)相連。本系統(tǒng)用MC35作為移動(dòng)機(jī)器人與上位機(jī)的通信模塊。它具有GPRS技術(shù)帶來的一切優(yōu)點(diǎn)，如一直在線和提供高速價(jià)廉的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)等。該產(chǎn)品的特性如下：

·支持雙頻：EGSM900/GSM1800
·支持GPRS Class8協(xié)議
·支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真服務(wù)
·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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口
·體積：65mm×74mm×33mm
·重量：130g

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理相同，都采用脈寬調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行調(diào)速，PWM信號由F2407產(chǎn)生。驅(qū)動(dòng)電路采用H全橋方式，由4個(gè)達(dá)林頓管(2個(gè)TIP132和2個(gè)TIP137)、4個(gè)IN4001二極管及與非門組成。電路原理圖如圖2所示。當(dāng)PWM2、PWM4為低電平而PWM1、PWM3為高電平時(shí)，T1、T4飽和導(dǎo)通，T2、T3截止，電流從T1→電機(jī)→T4，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)PWM1、PWM3為低電平而PWM2、PWM4為高電平時(shí)，T2、T3飽和導(dǎo)通，T1、T4截止，電流從T2→電機(jī)→T3，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

為防止T1、T3或T2、T4同時(shí)導(dǎo)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(guān)斷這兩對管子。在一個(gè)管子關(guān)斷和另一個(gè)管子開啟之間加入死區(qū)時(shí)間，這樣就使得一個(gè)管子開啟前，另一個(gè)管子已完全關(guān)斷。F2407具有死區(qū)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(guān)元件的開通區(qū)間沒有重疊，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，提高了可靠性。

3.3 4轉(zhuǎn)1串口通信模塊

由于DGPS接收機(jī)、磁羅盤、里程計(jì)和MC35通信模塊都采用RS-232異步串行通信，而F2407只有一個(gè)串行口，所以必須將4個(gè)串口數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換處理來完成與F2407的串口通信。為此研制了基于分時(shí)復(fù)用方法的4轉(zhuǎn)1串口通信模塊。當(dāng)F2407需要某個(gè)傳感器(或無線通信模塊)的數(shù)據(jù)時(shí)，就通過電路選通該傳感器占用F2407串口進(jìn)行通信；當(dāng)需要另外傳感器或無線通信模塊數(shù)據(jù)時(shí)，則關(guān)斷上次傳感器的選通，同時(shí)選通該次傳感器或無線通信模塊。4轉(zhuǎn)1串口通信模塊由3-8譯碼器74LS138、三態(tài)輸出的四總線緩沖門74LS125和電平轉(zhuǎn)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(jī)

GPS(全球定位系統(tǒng))是基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它提供一種廉價(jià)實(shí)用的可在全球范圍內(nèi)確定位置、速度和時(shí)間的工具。GPS由24顆衛(wèi)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(gè)軌道面上，其運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，軌道半徑為20200km，各軌道面夾角為60°。每顆衛(wèi)星向地球發(fā)射L頻段的特高連續(xù)波，調(diào)制兩種偽隨機(jī)碼(軍用高精度保密P碼和民用C/A碼)。這樣的分布特點(diǎn)保證了用戶在地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)間至少可以連續(xù)地收到4顆以上衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，從而聯(lián)立解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)以及接收機(jī)和GPS間的時(shí)間偏移。三維坐標(biāo)采用ECEF笛卡兒坐標(biāo)系或大地坐標(biāo)系如WGS84。