基于DSP的智能小车避障系统设计_闫晶pdf

2008年2月沈阳理工大学学报Vol.27No.1第27卷第1期TRANSACTIONSOFSHENYANGLIGONGUNIVERSITYFeb.2008文章编号:1003-1251(2008)01-0037-05基于DSP的智能小车避障系统设计闫晶1,周浚哲1,刘喜梅2(1.沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110168;2.朝阳东风柴油机配件有限责任公司)摘要:避障是自主移动机器人应具备的功能之一,以TI公司生产的DSP芯片TMS320VC5402为核心,采集环境信息并对智能小车进行控制,选用四组超声波传感器检测智能小车前方的障碍物,设计了智能小车的自动避障系统,并阐述其工作原理.该系统设计简单、成本低、实时性好,在室内环境中取得了预期的实验结果,使智能小车无碰撞到达目的地.关键词:DSP;智能小车;超声波传感器;避障中图分类号:TP24文献标识码:ATheDesignofObstacleAvoidanceSystemofInteligentCarriageBasedonDSPYANJing1,ZHOUJun-zhe1,LIUXi-mei2(1.ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China;2.ChaoyangDongfengDieselSparePartsCo.,Ltd)Abstract:Theobstacleavoidanceisoneofthemainfunctionsthatanindependentlymobilerobotshouldbeprovided.UsingDSPchip-TMS320VC5402manufacturedbyTICompanyasakeycomponent,colectingtheenvironmentalinformationandcontrolingtheinteligentcar-riage,akindofobstaclavoidancesystemofinteligentcarriageisdesigned.Inthissystem,fourgroupsofultrasonicsensorsareusedtodetectthebaries,whicharefrontofdistancebe-tweentheinteligentcarriageandthebariers.Thesystem'sdesignissimple,andhaslowercostandbeterrealtimefeatures.Andatthesametime,thissystemhasobtainedanticipatedexperimentalresultsintheindoorenvironment.Thatis:theinteligentcariagecanariveatthedestinationwithoutanycolision.Keywords:DSP(DigitalSignalProcessing);inteligentcarriage;ultrasonicsensor;obstacleavoidance移动机器人是集环境感知、动态决策与规划、多,小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人,大到行为控制与执行等多功能于一体的综合系统[1].工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等,人们已近年来,对移动机器人的研究受到广泛的重视,仿经清楚地体会到地面移动机器人作为移动机器平照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越台的优越性.移动机器人能够移动到固定式机器人无法到达的预定目标,完成设定的操作任务.相收稿日期:2007-09-24作者简介:闫晶(1980—),女,硕士研究生;通讯作者:周浚哲(1955—),男,教授.研究方向:智能控制.应地,这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了更高的要求,特别是在机器人的运动速度、灵·38·沈阳理工大学学报2008年活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越高[2].避障与导航是移动机器人研究的核心问题之一.使移动机器人无碰撞到达终点,需解决两方面的基本问题.一是在运动过程中利用传感器感知周围未知环境;二是采用适当的算法进行路径规划来实现机器人的实时避障.1系统硬件组成1.1系统核心DSP的电路产生40kHz的方波,以使超声波传感器产生谐振.CD4049对NE555产生的40kHz频率信号进行调理,40kHz的方波经CD4049调理后,成为振幅为18V的方波,提高了发射功率.因接收到的波形幅度非常小,很难识别.因此在回波处理电路中,用NE5532搭成两级交流放大电路,把接收到的波形放大5000倍,经放大后的波形被送入LM311比较器,经比较器调理后的波形成为方波,可直接送到DSP的外部中断接口.超声波测距采用普遍使用的渡越时间法d=ct/2,d为智能小车与障碍物之间的距离,c为超声TMS320VC5402是TI公司生产的定点DSP波在空气中传播的速度,t为超声波从发射到接收芯片,具有强大的寻址能力、优化的CPU结构、智的往返时间间隔.超声波的速度受温度影响会产能外设和快速的运算能力,且功耗低、价格便宜.生变化,但并不影响小车避障,所以可认为声速是VC5402的最高频率100MHz,运行速度100MIPS,[4]常值,取c=340m/s.内含4K×16bit片内ROM和16K×16bit片内1.3智能小车DARAM,具有6个DMA通道、2个多路缓冲串口和2个定时器[3].凌阳公司生产的智能小车可通过简单的I/O1.2超声波测距系统控制实现小车的前进、后退、左转和右转等功能.智能小车分为车体和控制板两部分,控制板将来采用收、发分立的超声波传感器,谐振频率自DSP芯片I/O口引脚的控制信号转换为电机的40kHz,测距范围10～400cm,精度1cm,工作电压驱动信号以驱动电机使车轮运转,小车的驱动和为4.5～9V.传感器电路分为两大部分,一部分是转向由左右两轮驱动实现,左右轮的驱动电路是超声波发生调理电路,另一部分是超声波回波接全桥驱动电路,如图1所示.车体长20cm、高收处理电路.12.5cm、宽6.5cm,双电机四轮驱动.小车的工作超声波发生调理电路主要包括NE555震荡发电压为直流4-6V,车速是0.6m/s.生器和非门驱动CD4049.NE555和电容电阻组成图1电机驱动电路图中Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管组成四个桥制Q2、Q3的导通与关断,Q6控制Q1和Q4的导臂,Q1和Q4组成一组,Q2和Q3组成一组,Q5控通与关断,Q5、Q6由I/O口控制.DSP的两个I/O:DSP·39·第1期闫晶等基于的智能小车避障系统设计口HD4和HD5控制四个桥臂的导通与关断,这样就可以控制两轮电机的运行状态,使之正转反转或者停转,进而控制小车的前进、后退和转弯.另一组电机电路与之相同.2系统硬件设计2.1系统概述图2为系统框图,系统由DSP芯片、超声波传感器、多路转换器、控制按键、通信模块和智能小车等器件组成TMS320VC5402的内部存储空间较小,选用64k×16bit静态RAM存储芯片CY7C1021和1M×16bitFLASHROM芯片AM29LV800B对DSP的存储空间进行扩展.通信部分选用的是MAXIN公司生产的MAX232.超声波传感器连接和通讯部分电路图见图3.图2系统框图图3系统部分电路图为测量不同方向的障碍物,系统共选用4组超由软件完成.声波传感器,两组并排放置于车体前端,另外两组2.2超声波测距放置在车顶左右两侧45°角方向,由DSP通过多路转换器控制4路超声波传感器轮流检测障碍物.按系统共有4组超声波传感器,通过多路转换器键控制智能小车的启动与停止,行驶后的运动控制CD4052分时控制4组超声波轮流检测障碍物信·40·沈阳理工大学学报2008年息.CD4052是数字控制多路模拟转换开关,独立的4通道选择器,具有二进制控制输入端A、B和一个禁止输入端INH.A、B的四种二进制组合状态用来在四路通路中确定由哪一路超声波测量智能小车与障碍物之间的距离.CD4052内部含有逻辑电路转换模块和带IHN的二进制地址解码器.设置CD4052的X引脚为发射通道,一端连接DSP的XF控制引脚,另一端4路通道X0～X3分别连接每组传感器的发射端.Y为接收通路接至DSP的外部中断INT0引脚,Y引脚另一端接至传感器接收端.A、B两个控制端连接到DSP的HD0、HD1引脚控制4路超声波的选通.DSP的XF引脚控制多谐振荡器的启动与停止,当输出高电平时,触发多谐振荡器使之产生40kHZ的超声波,当输出为低电平时停止发送.2.3DSP对小车的控制复位时,将HPIENA置低,HPI被设置成普通I/O口,由HD4～HD7四个引脚连接小车控制板,通过控制板控制小车的运行.小车的启动与停止可由接到DSP的HD2引脚的按键控制,也可由软件控制.根据传感器测得的距离信息,采用适当的算法经研究分析后得出小车的运动方向,通过改变I/O口的高低电平控制小车控制板,驱动电机改变小车的运动方向.智能小车避障运动分为四种情况,如图4所示.(a)只有1、2两组超声波检测到障碍物,此时小车向右运动,若3、4组测到障碍物则向相反方向运动.(b)当前方发现障碍物,1、4组均未检测的障碍物时,令小车向右运动.(c)当4组超声波都测到障碍物时,小车先倒退,然后向右运动.(d)若1、4检测到障碍物而1、3没有检测到障碍物,小车并不改变方向仍按直线行走[5].图4障碍物信息示意图图4小车的各种不同状态通过四个I/O口HD4～HD7的不同种组合状态实现,如0101时小车前进,1010时小车倒退.3系统软件设计系统软件设计在集成开发环境CCS下完成,采用汇编语言和C语言混合编程的方法.软件设计主要包括对控制主程序、超声波测距程序、中断程序和软件算法等程序的设计.主程序流程图如图5所示,其初始化过程包括定时器的初始化和外部中断初始化等.3.1超声波测距过程每组超声波传感器的工作过程如下:首先置XF为高电平,触发NE555产生40kHZ的脉冲信图5主程序流程图:DSP·41·第1期闫晶等基于的智能小车避障系统设计号发射超声波,在发射超声波的同时打开定时器24ms,该时间由定时器0控制,在XF端输出占空1开始计时.为保证持续发送超声波,XF的高电比为1:23的方波.在后一路超声波发射之前,若平应维持1ms左右,当接收到回波后,定时器1停外部中断没有接收到反射波,则认为该超声波传止计时,记录超声波返回时间并将其转换为距离感器方向没有障碍物存在,由下一组超声波传感信息.器进行检测.超声波在发射过程中会产生余波,由系统共有4路超声波传感器,分时按顺序循于超声波发射传感器与接收传感器相距较近,发环测距,发送脉冲的间隔时间由传感器个数和它射时会有部分余波未经反射直接绕射到超声波接所测量的最大距离决定.声速为340m/s,小车的收传感器上,引起系统误差.为避免误差,采用延速度是0.6m/s,超声波传感器的最大测量距离是迟接收方法,在超声波发射1ms后再打开外部中400cm,t=2d/c=23.5ms,该时间内小车移动的断INT0.采用延时接收方法,缩小了超声波传感器距离为1.41cm,可忽略,将小车移动距离忽略并的测距范围,最短距离变为17cm.表1为超声波不影响系统避障.取每组发射的时间间隔为测距数据.表1超声波测距实验数据测量测量距实际距误差测量距实际距误差测量距实际距误差测量距实际距误差次数离/m离/m/(%)离/m离/m/(%)离/m离/m/(%)离/m离/m/(%)10.510.502.000.510.502.000.510.502.000.520.504.0021.021.002.001.001.000.001.011.001.000.991.001.0032.002.000.002.002.000.002.002.000.002.032.001.5042.983.000.153.053.001.773.023.000.673.033.001.003.2小车路径规