畢業(yè)設(shè)計--基于dsp的履帶機器人避障系統(tǒng)研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅲ</b></p><p>　　ABSTRACTⅣ</p><p><b>　　第一章引言1</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義1</p><p

2、>　　1.2 履帶機器人避障系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)履帶外機器人避障系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)外履帶機器人避障路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀.7</p><p>　　1.3 履帶機器人研究存在的問題10</p><p>　　1.4 論文各部分內(nèi)容10</p

3、><p>　　第二章 基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)硬件原理11</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案11</p><p>　　2.2 履帶機器人DSP控制器選擇與介紹12</p><p>　　2.2.1 TMS320F2812芯片介紹13</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)外部擴展存儲器

4、13</p><p>　　2.3 傳感器的選擇與介紹14</p><p>　　2.3.1 聲納傳感器14</p><p>　　2.3.2 航向角傳感器16</p><p>　　2.3.3 速度傳感器16</p><p>　　2.4 電機的選擇與功率驅(qū)動主回路設(shè)計17</p><p

5、>　　2.5 硬件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)19</p><p>　　2.6 本章小結(jié)20</p><p>　　第三章 履帶機器人避障方法設(shè)計21</p><p>　　3.1 履帶機器人避障控制的總體框圖21</p><p>　　3.2 履帶式移動機器人的運動學模型21</p><p>　　3.3 履帶

6、式移動機器人的環(huán)境建模22</p><p>　　3.4 覆蓋式路徑規(guī)劃的數(shù)學描述24</p><p>　　3.5 覆蓋式路徑規(guī)劃的方法設(shè)計25</p><p>　　3.6 軌跡控制算法的設(shè)計26</p><p>　　3.7本章小結(jié)27</p><p>　　第四章 基于DSP的履帶機器人避障控制算法的

7、仿真28</p><p>　　4.1 控制算法28</p><p>　　4.2 避障控制算法的MATLAB仿真30</p><p>　　4.3 本章小結(jié)33</p><p>　　第五章 基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計34</p><p>　　5.1DSP開發(fā)環(huán)境介紹34</p>

8、;<p>　　5.2 避障控制系統(tǒng)程序34</p><p>　　5.2.1 主程序模塊34</p><p>　　5.2.2 避障模塊36</p><p>　　5.2.3 PID模塊36</p><p>　　5.2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊38</p><p>　　5.3 本章小結(jié)39&l

9、t;/p><p>　　第六章 結(jié)論與展望40</p><p><b>　　6.1結(jié)論40</b></p><p>　　6.2 研究展望40</p><p><b>　　致謝41</b></p><p><b>　　參考文獻42</b><

10、/p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設(shè)計了基于DSP的履帶式機器人避障系統(tǒng)系統(tǒng)。</p><p>　　首先對履帶機器人的國內(nèi)外研究和使用現(xiàn)狀進行了較為全面和詳實的介紹，從而尋求出該課題的研究方向；同時介紹了機器人的各種避障控制算法。</p><p>　　其次，介紹了履帶機器人避障系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

11、方案設(shè)計。為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的行走及避障功能要求，對系統(tǒng)控制芯片和車輪驅(qū)動電機的類型等進行了選擇。確定了以 TMS320F2812 DSP為核心控制器，直流電機為主要運動機構(gòu)的機器人核心部分；同時，設(shè)計了機器人的主要硬件構(gòu)造。</p><p>　　本文隨后根據(jù)控制要求分析了系統(tǒng)所需的硬件結(jié)構(gòu)。搭建了一個基于DSP的機器人控制平臺，概括了硬件電路設(shè)計中所必須考慮的抗干擾措施。之后闡述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法。以車輪電機

12、控制采用增量式PID控制算法為重點，介紹了軟件控制的總體策略與控制結(jié)構(gòu)，并對仿真結(jié)果進行了比較；然后分塊介紹各個模塊程序與必要的寄存器的設(shè)置。</p><p>　　最后，總結(jié)了作者的研究成果，并闡述需要進一步深入研究的工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：履帶機器人，避障系統(tǒng)，自主導航，DSP系統(tǒng)，運動學模型。</p><p><b>　　ABSTRACT&

13、lt;/b></p><p>　　This article designed the system which has evaded based on the DSP marching robot bonds.</p><p>　　First has carried on more comprehensive and a detailed introduction to the ca

14、terpillar band robot's domestic and foreign research and the use present situation, thus seeks this topic the research direction. Simultaneously introduced robot's each kind evades bonds the control algorithm.<

15、;/p><p>　　Next, introduced the caterpillar band robot evades bonds system's gross structure project design. In order to realize overall system's walk and evade bonds the function request, actuated elect

16、rical machinery's type to the systems control chip and the wheel and so on to carry on the choice. Had determined take TMS320F2812 DSP as the core controller, the direct current machine for the main motion robot hard

17、 core. At the same time, has designed robot's main hardware structure.</p><p>　　This article has analyzed the hardware architecture which according to the control request the system needs. Has built one

18、based on the DSP robot control platform, summarized the anti-jamming measure which in the hardware circuit design must consider. Afterward elaborated control system's software design method. Uses the differential mot

19、ion actuation type caterpillar band robot control algorithm takes the wheel motor control as the key point, introduced software control's overall strategy and th</p><p>　　Finally, summarized author's

20、 research results, and elaborated that needs further deep research work.</p><p>　　Key words: Caterpillar band robot, Obstacle avoidance, Autonomous navigation, DSP, Kinematics model.</p><p><

21、b>　　第一章 引言</b></p><p>　　1.1 研究的目的和意義</p><p>　　在人類文明的悠遠長河中，我們看到了人類進步的腳?。焊鞣N機器的發(fā)明大大地減輕了人們的體力勞動；與此同時，電子計算機的發(fā)明與推廣應(yīng)用也在很大程度上代替了人們所進行的腦力勞動；而機器人作為二者結(jié)合的產(chǎn)物則可以完成許多人類“力所不能及”的工作。</p><p>

22、　　機器人移動的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動機器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構(gòu)方面的研究，以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問題，設(shè)計并研制出了多足步行機器人。其中最著名是名為General

23、 Electric Quadruped的步行機器人。70年代末，隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃

24、技術(shù)為標志，開展了移動機器人更高層次的研究[1]。</p><p>　　開發(fā)和研制建設(shè)機器人和傳統(tǒng)建設(shè)機械的機器人化，是工業(yè)機器人和特種機器人發(fā)展的必然結(jié)果，也是建設(shè)機械設(shè)備發(fā)展的方向。隨著改革的深入和科學技術(shù)的發(fā)展，在全行業(yè)的共同努力下，我國在研制和開發(fā)建設(shè)機器人和機器人化的建設(shè)工程設(shè)備上必將在二十一世紀取得更大的發(fā)展。</p><p>　　隨著建設(shè)施工向高級化方向發(fā)展，高等級公路、高層

25、建筑和鐵路的施工要求愈來愈高，對建設(shè)施工設(shè)備的要求也日益上升，目前建設(shè)工程設(shè)備基本上實現(xiàn)了機械化，但一般多停留在人工操縱、控制上，由于施工過程中，所處理的信息量越來越大，人工控制很難達到建設(shè)施工的具體要求。必須提高建設(shè)機械的性能和功能，逐步使建設(shè)機械向著自動化和智能化方向發(fā)展【2】。</p><p>　　1.2履帶機器人避障系統(tǒng)研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外履

26、帶機器人避障系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1．國外履帶機器人避障系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　從1959年美國第一臺工業(yè)機器人到本世紀80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造價格不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻在迅速提高。開拓了機器人行業(yè)的新進展。</p><

27、p>　　機器人是人類創(chuàng)造的一種特殊機器,在生產(chǎn)和生活等方面,特別是在危險和極限環(huán)境作業(yè)中,有著廣泛的應(yīng)用前景。機器人正發(fā)展成為一個龐大的家族，代替人們從事各種各樣的工作。</p><p>　?。?）足球機器人避障系統(tǒng)</p><p>　　障礙物的描述對路徑規(guī)劃算法以及尋找路徑的策略有很重要的意義機器人向目標點運動采用的策略是消除機器人在起始點的方向、位置與目標點之間的角度誤差和距離誤

28、差，所走的軌跡一般為一條曲線，曲率的大小取決于機器人在起始點的方向和目標點的位置，機器人的方向與起始點到目標點的方向一致時，曲率最小，機器人的方向與起始點到目標點的方向垂直時，曲率最大(因為機器人可以正、反兩個方向運動)。為了縮小搜索空間，提高搜索速度，將曲率折衷，搜索范圍確定為：目標點為G,避障機器人為R,R到G的距離為L,以L為長，以L/2為寬做一矩形，在矩形范圍內(nèi)的任何機器人(R除外)都視為是障礙，那么比賽場地中就存在一個障礙物的

29、有限集合(由對方機器人以及我方的除避障機器人以外的機器人組成，用O表示)，O={OR1,OR2,...,ORq}其中q為搜索范圍內(nèi)的障礙物個數(shù)。</p><p>　　采用檢驗交點數(shù)法判斷比賽場上的其它機器人是否為障礙物(避障機器人除外)。其算法為[3]：設(shè)機器人的中心點為P，由點P向下引一條與Y軸平行的射線，計算此射線與多邊形ABCD的交點數(shù)。若交點數(shù)為偶數(shù)(包括0)，則P點在多邊形之外；若交點數(shù)為奇數(shù)，則點P在

30、多邊形之內(nèi)。</p><p>　　還有一些特殊情況要加以處理.如P向下作射線時，如與多邊形的一邊相交于其端點，可以用“左閉右開”法，即當一條線段兩個端點的X坐標值小于或等于P射線端點的xp坐標值時，就不作射線與該線段的求交點運算.線段DC即屬于這種情況，此時端點C雖然與射線相交，但不計人交點。反之，在線段兩端點的X坐標值中，只要有一個小于射線的xp坐標值時，就進行求交點運算，DA,AB,BC線段。當射線與多邊形某

31、線段重合時，線段DC屬于t坐標值小于或等于xp的情況，因此也不做求交點運算。用此方法檢驗所有的機器人(避障機器人除外)，如果機器人的中心點在ABCD內(nèi)就認為它是障礙物。這樣就確定了執(zhí)行動作的機器人在其運動區(qū)域內(nèi)是否有障礙物、有幾個障礙物、障礙物的號碼、與障礙物的距離等信息[4]。</p><p>　　（2）蛇形機器人避障系統(tǒng)</p><p>　　20世紀90年代初期，日本Hirose教授通

32、過對自然界中蛇運動的長期分析和研究，提出蛇運動是肌肉以諧波振動的方式收縮與松弛的假設(shè)，用曲率顯正弦變化的曲線來模擬蛇的運動曲線，于1993年制造出第一個蛇形機器人[5]，其運動曲線方程為：</p><p><b>　　公式（1.1）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　根據(jù)蛇形機器人結(jié)構(gòu)

33、和運動特點，平面運動的蛇形機器人可以簡化為平面連桿模型。</p><p>　　蛇形機器人在XOY平面上運動，相鄰關(guān)節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角θi(s)為表征運動形狀的關(guān)節(jié)變量，可由公式（1.1）積分得[6]：</p><p><b>　　公式（1.2）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><

34、;p>　　從公式（1.2）中可以看出改變K1的大小，就可以改變運動方向；改變s的大小，則可以改變運動的速度。</p><p>　　芮執(zhí)元等人用蛇形機器人的左右擺動電機來改變K1的大小，即用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來控制蛇形機器人的左右擺動電機，從而達到改變K1大小，躲避障礙物，到達目標的目的[7]。</p><p>　　2．國內(nèi)履帶機器人避障系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>

35、;　　我國的機器人起步較晚，與國外發(fā)達國家相比還有一定的距離。 </p><p>　?。?）可重構(gòu)履帶機器人</p><p>　　根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)北京航空航天大學機械工程及自動化學院的王田苗，鄒丹，陳殿生三人在可重構(gòu)履帶機器人方面有以下研究。</p><p>　　可重構(gòu)機器人是由模塊化單元組成。模塊化的含義是將復雜的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成多個簡單的模塊組成。優(yōu)點是有利于系統(tǒng)的設(shè)計和

36、分析；同時模塊具有即插即用的性能，互換性比較強。他們所設(shè)計的機構(gòu)是由4個具有獨立運動能力的基礎(chǔ)模塊，2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊及3個連桿模塊組成。機器人的行走機構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，因此具有地形適應(yīng)能力強，平穩(wěn)性好等優(yōu)點，有利于機器人完成復雜地形環(huán)境下的偵察任務(wù)【8】。</p><p>　?。╝）電氣連接結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　電氣連接部分的模塊化設(shè)計為機器人機構(gòu)的可重構(gòu)提供了保證。兩個基礎(chǔ)運動單

37、元模塊間的電氣連接采用即插即用的結(jié)構(gòu)，分別用航空頭連接運動模塊的兩端，為機器人結(jié)構(gòu)的重構(gòu)提供了方便。傳輸線包括485總線的信號線，用于與主控系統(tǒng)之間的控制信息傳輸；機的信號線，用于主控系統(tǒng)與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊之間的信息傳輸；以及兩路電源線，分別是24V和8.4V，用于電機和機的供電。</p><p><b>　?。╞）控制系統(tǒng)組成</b></p><p>　　此系統(tǒng)采用分布

38、式控制體系，由主控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、傳感器控制系統(tǒng)和云臺控制系統(tǒng)組成。當各子控制系統(tǒng)接收到從主控制系統(tǒng)傳送來的控制指令后，就獨立地完成對模塊的控制，同時各子控制系統(tǒng)將機器人本體的信息和傳感器監(jiān)測的信息返回給主控制系統(tǒng)，便于主控制系統(tǒng)的統(tǒng)一決策。</p><p>　　如圖1.1所示，主控制計算機系統(tǒng)通過無線數(shù)傳模塊直接和遠程計算機系統(tǒng)交互。主控計算機系統(tǒng)采用基于ARM7系列微處理器和μC/OS-II的嵌入式實時

39、操作系統(tǒng)，具有處理速度快、功耗低、價格低廉等優(yōu)點，系統(tǒng)支持多任務(wù)管理和任務(wù)間的同步與通信，能夠?qū)Χ鄠鞲衅餍畔⑦M行實時處理，實現(xiàn)自主控制算法，滿足偵察作業(yè)的需要。對于電機驅(qū)動控制采用ATMEGA128單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，采用LM629 實現(xiàn)對電機的驅(qū)動，實現(xiàn)對直流電機的轉(zhuǎn)速控制和位置控制。傳感器的控制和云臺的控制分別采用AVR的單片機系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的接收、傳送以及對云臺的姿態(tài)控制。和主控制系統(tǒng)之間通過串行總線RS-485連接。控制系統(tǒng)

40、的這種模塊化的設(shè)計使得各個部分單獨控制，方便調(diào)試和功能實現(xiàn)。</p><p>　　圖1.1 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　（2）深海履帶機器車</p><p>　　王隨平、陳峰等教授在深海底履帶機器車動力學模型方面有如下研究【9】。</p><p>　　由于深海底履帶機器車的工作環(huán)境和自身特性與普通履帶車輛有很大不同，主要表現(xiàn)為履帶車

41、的低速性(0.5一1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切強度、以及深海底的作業(yè)環(huán)境，深海底履帶車的建模簡化條件與普通履帶車相比，也應(yīng)該有所不同。與普通履帶車相比，建模條件有以下特點：</p><p>　?、倏紤]水阻力：通常地面行走的低速履帶車空氣阻力可忽略不計，集礦機在1000m深的海底行走，海水的密度比空氣大得多，必須考慮海水阻力；</p><p>　?、诤雎噪x心力：由于集礦機的運行速度很

42、低(0.5一lm/s)，轉(zhuǎn)向時離心力對其作用很小，可忽略不計；</p><p>　　③考慮推土阻力：1000m深海底為極軟的飽和土壤，與地面行駛的履帶車不同，集礦機具有較深的壓陷深度(15cm)。在如此深的壓陷情況下，推土阻力成為集礦機的主要運動阻力之一；</p><p>　　④考慮履刺的剪切力：為了增加集礦機在1000m深稀軟底上的附著力，與普通履帶車輛不同，集礦機履帶上設(shè)計了高130m

43、m、齒距為200mm的尖三角齒。在建模時，履齒與地面的剪切作用必須加以考慮?；谝陨峡紤]，參考陸地履帶車輛的動力學原理，我們進行了集礦機工作狀態(tài)下的受力分析，并最終建立了深海底集礦機的動力學模型。</p><p><b>　?。╝）法向力</b></p><p>　　為了計算法向力，假定履帶的兩個部分均為剛性水平連接，從而具有均勻的地面壓力分布。對應(yīng)地，地面壓力Ph(

44、h =s,i)與壓強Ph之間的關(guān)系可表述為：</p><p><b>　　公式（1.3）</b></p><p>　　式中b是履帶寬度，Z0為法向單位向量。</p><p>　　深海底履帶機器車表現(xiàn)為相對寬的履帶中間距和較多的小半徑值支重輪。當主動輪和從動輪沉陷之差與履帶長度相比較小時，履帶板的厚度可忽略不計，壓強Ph可由經(jīng)驗關(guān)系表述為主動輪和

45、從動輪最低點沉陷△Zh的函數(shù)。</p><p>　　德國特丟夫勒根據(jù)實驗得到海泥的載荷和壓陷的半經(jīng)驗公式為【10】：</p><p><b>　　公式（1.4）</b></p><p>　　式中，為壓陷；e、f為壓強與沉陷系數(shù)，可同樣由以下經(jīng)驗確定：</p><p><b>　　公式（1.5）</b>

46、;</p><p>　　式中，τ為海泥的剪切強度。</p><p><b>　?。╞）牽引力</b></p><p>　　由于深海底的特殊環(huán)境，該履帶車具有高130mm、齒距d為200mm的窄尖三角齒；同時，設(shè)計的土壤剪切深度深達180mm。因此，總牽引力由履帶剪切土壤產(chǎn)生的牽引力F，和窄尖三角齒剪切土壤產(chǎn)生的牽引力凡之和構(gòu)成。</p&g

47、t;<p>　　履帶牽引力的幅值F，由地面剪切應(yīng)力提供，假定沿車體行進方向剪切壓力為均勻分布，則可表述為剪切壓力沿接觸面積的積分：</p><p><b>　　公式（1.6）</b></p><p>　　而剪切壓力又能表述為剪切位移和法向壓力的函數(shù).對大多數(shù)的擾動土壤，有以下關(guān)系式：</p><p><b>　　公式（1

48、.7）</b></p><p>　　式中，p為法向壓力，c為土壤的內(nèi)聚力，φ為土壤的內(nèi)摩擦角，K為土壤的水平剪切模量，表征土壤達到最大剪切應(yīng)力時的變形值。</p><p>　　由塑性平衡理論，可計算單個履刺的牽引力：</p><p><b>　　公式（1.8）</b></p><p>　　式中，b2為履刺的寬

49、度，實際等于履帶的寬度b，γs為土壤比重，hb為履刺高度;,稱為土壤流值。</p><p>　　履刺產(chǎn)生的牽引力可表述為：</p><p><b>　　公式（1.9）</b></p><p>　　式中n=1/d,為與地面接觸的履刺的個數(shù)。</p><p><b>　?。╟）運動阻力</b></

50、p><p>　　履帶車的運動阻力可以分成內(nèi)力和外力兩個部分內(nèi)阻力主要分布在履帶一懸掛系統(tǒng)，由履帶板間、驅(qū)動輪齒和履帶、支重輪軸的摩擦損失以及支重輪和履帶之間的轉(zhuǎn)動阻力構(gòu)成。內(nèi)力的表現(xiàn)形式復雜而多變，不可能給出精確的分析和預測，常常用經(jīng)驗公式給出內(nèi)阻力和速度之間的線形近似關(guān)系，同樣本文也是將內(nèi)力近似為作用在主動輪軸上的線性粘性轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　外阻力主要產(chǎn)生于車輛一地面的相互作用，主要

51、表現(xiàn)為海泥的壓實阻力和海泥的推土阻力，以及深海環(huán)境中的海水阻力。</p><p>　　對地面的擠壓作用，對車體的運動性能有較大的影響。假定法向載荷沿履帶長度均勻分布，則履帶的沉陷量可由壓力一沉陷量方程預測。</p><p>　?。?） 履帶式推土機</p><p>　　由于履帶機器人與履帶式推土機的工作原理有相似之處，所以下面對履帶式推土機進行調(diào)研。</p&g

52、t;<p>　?。╝）驅(qū)動控制的實現(xiàn)條件</p><p>　　推土機的最大牽引力一方面取決于發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩(另一方面受地面附著條件的限制)推土機最佳生產(chǎn)率的發(fā)揮由其最大的履帶牽引力決定【11】。</p><p>　　推土機作業(yè)時，其主要的受限形式是履帶的打滑。推土機工作時必須滿足驅(qū)動條件和附著條件：</p><p><b>　　公式（1.1

53、0）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　（b）牽引力、附著系數(shù)與滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系</p><p>　　不同地面條件產(chǎn)生的附著系數(shù)是有差異的，在不同地面條件下的履帶牽引力與其滑轉(zhuǎn)率的關(guān)系如下。在附著系數(shù)一定，履帶滑轉(zhuǎn)率S=0時，推土機的牽引力與推土機重量的比值最大；滑轉(zhuǎn)率從0開始增加時，附著系數(shù)隨之增

54、加；當履帶滑轉(zhuǎn)率S=0.1～0.2時,附著系數(shù)達到最大；如果滑轉(zhuǎn)率繼續(xù)增加,附著系數(shù)開始下降。當履帶滑轉(zhuǎn)率S達到100%時，履帶發(fā)生完全滑轉(zhuǎn)!推土機不能工作，此時推土機牽引力的比值下降很快。</p><p>　　推土機作業(yè)負載阻力過大時，履帶發(fā)生滑轉(zhuǎn)，推土機的行駛速度由于履帶的滑轉(zhuǎn)而降低。履帶的瞬時速度推土機機身瞬時速度及滑轉(zhuǎn)率S具有如下關(guān)系：</p><p><b>　　公式（

55、1.11）</b></p><p>　　1.2.2 國內(nèi)外履帶機器人避障路徑規(guī)劃方法研究現(xiàn)狀</p><p>　　履帶機器人屬于移動機器人的一種。路徑規(guī)劃問題是機器人學中很重要的一個方面。路徑規(guī)劃的研究對象可分為關(guān)節(jié)式機械手和移動式機器人。一般來說，前者具有更多的自由度，而后者的作業(yè)范圍則更大一些。就最簡單的形式，路徑規(guī)劃問題可以按如下定義：在有障礙物的工作環(huán)境中，如何尋找一條

56、從給定起點到終點適當?shù)倪\動路徑，使機器人在運動過程中能安全、無碰地繞過所有障礙物。移動機器人路徑規(guī)劃主要解決三個問題：(1)使機器人能從初始點運動到目標點；(2)用一定的算法使機器人能繞開障礙物，并且經(jīng)過某些必須經(jīng)過的點；(3)在完成以上任務(wù)的前提下，盡量優(yōu)化機器人運行軌跡。</p><p>　　根據(jù)工作環(huán)境路徑規(guī)劃可分為兩種：環(huán)境信息已知的靜態(tài)路徑規(guī)劃，又稱全局規(guī)劃；環(huán)境信息未知或部分未知的動態(tài)規(guī)劃，又稱局部規(guī)

57、劃。后者更具有實際意義，因為現(xiàn)實環(huán)境中的障礙物很可能是運動規(guī)律未知的運動物體。動態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃比靜態(tài)環(huán)境下的規(guī)劃復雜得多。目前國內(nèi)外路徑規(guī)劃的主要算法有：</p><p>　?。?）人工勢場法[12] 人工勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法，其基本思想是將機器人在環(huán)境中的運動視為一種虛擬的人工受力場中的運動。障礙物被排斥勢場包圍，對機器人產(chǎn)生斥力，排斥力隨機器人與障礙物的距離的減少而迅速增大；目標被引

58、力勢場包圍，對機器人產(chǎn)生引力，吸引力隨機器人與目標的接近而減小。引力和斥力的合力作為機器人的合力，來控制機器人的運動方向，使機器人繞過障礙物朝目標前進。</p><p>　　該法結(jié)構(gòu)簡單，便于低層的實時控制，在實時避障和平滑的軌跡控制方面，得到了廣泛應(yīng)用，其不足在于存在局部最優(yōu)解，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，因而可能使移動機器人在到達目標點之前就停留在局部最優(yōu)點。為解決局部極小值問題，已經(jīng)研究出一些改進算法，如Sato提出

59、的Laplace勢場法[13]。改進算法是通過數(shù)學上合理定義勢場方程，來保證勢場中不存在局部極值。</p><p>　　（2）柵格法[14] 柵格法將移動機器人工作環(huán)境分解成一系列具有二值信息的網(wǎng)格單元來記錄環(huán)境信息，有障礙物的地方累積值比較高，移動機器人就會采用優(yōu)化算法避開。柵格法表現(xiàn)出良好的性能，受到重視并有很好的發(fā)展前景，但該方法存在著環(huán)境分辨率與環(huán)境信息存儲量的矛盾。</p><p&

60、gt;　?。?）自由空間法[15, 16] 這是一種經(jīng)典的路徑規(guī)劃方法，它把機器人所在的環(huán)境空間分成兩部分，即自由空間和障礙物空間。機器人在自由空間中找到一條按某種性能指標規(guī)劃出來的安全路徑。其優(yōu)點是比較靈活，起始點和目標點的改變不會造成連通圖的重構(gòu)，缺點是復雜程度與障礙物的多少成正比，且有時無法獲得最短路徑。</p><p>　?。?）模糊邏輯算法[17~ 19] 模糊邏輯的基本原理：模糊控制是智能控制的

61、一個十分活躍的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，也理所當然成為機器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。扎德于1965年提出的模糊集合成為處理現(xiàn)實世界各類物體的方法。此后，對模糊集合和模糊控制的理論研究和實際應(yīng)用廣泛開展起來。模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。模糊控制的價值可從兩個方面來考慮。一方面，模糊控制提出了一種新的機制用于實現(xiàn)基于知識規(guī)則的控制規(guī)律。另一方面，模糊控制為非線性控制器提出了一個比較容易的設(shè)計方法，尤其是受控對象或過程含有不確定性而且很難

62、用常規(guī)非線性控制理論處理時，更是有效。由于模糊邏輯控制控制具有符合人類思維的習慣，不需要建立精確的數(shù)學模型，易于將專家知識直接轉(zhuǎn)換為控制信號等優(yōu)點，已成為移動機器人路徑規(guī)劃的一種重要方法。在用模糊控制的方法規(guī)劃機器人路徑時，往往要對機器人自身帶的傳感器獲取的信息進行模糊化處理。比如，參考人的駕駛經(jīng)驗，模糊控制器先對聲納的距離信息進行模糊化處理，然后歸納出一組規(guī)則，通過模糊集理論把這些規(guī)則變?yōu)橛行У囊?guī)劃角度和平移距離。該算法的優(yōu)點是算法直

63、觀，容易實現(xiàn)，能方便人的經(jīng)驗融合到算法當</p><p>　?。?） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20, 21] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單的神經(jīng)元相互連接而形成的自適用非線性動態(tài)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究可以追溯到上個世紀40年代，但其理論和應(yīng)用的真正突破則來自于80年代初Hopfield的兩篇關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究論文，它們奠定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件描述、硬件實現(xiàn)的基礎(chǔ)。1986年Rumelhart和Mccleland

64、提出了多層網(wǎng)絡(luò)的前饋學習算法，即BP算法，該算法從后向前修正各層之間的連接權(quán)值，可以求解感知機無法解決的問題，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由此發(fā)展起來。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在移動機器人路徑規(guī)劃上的應(yīng)用：環(huán)境是一個很復雜非線性的系統(tǒng)，不同的環(huán)境很難用精確的數(shù)學模型表示出來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有任意逼近精確函數(shù)的能力。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境信息進行分類和識別，然后建立機器人工作空間動態(tài)環(huán)境信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。并利用該模型建立機器人動

65、態(tài)避障與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強的學習和適用能力，但獲取具有代表性的訓練樣本不容易。</p><p>　　（6） 遺傳算法[22, 23] 一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機搜索算法，由于它具有簡單、健壯、隱含并行性和全局優(yōu)化等優(yōu)點，對于傳統(tǒng)搜索方法難以解決的復雜和非線性問題具有良好的適用性。應(yīng)用遺傳算法解決自主移動機器人動態(tài)環(huán)境中路徑規(guī)劃問題，可以避免困難的理論推導，直接獲得問題的最優(yōu)解

66、。但存在早熟收斂問題。</p><p>　　（7） 滾動規(guī)劃[24] 國內(nèi)學者席裕庚借鑒預測控制中滾動優(yōu)化原理，提出了動態(tài)不確定環(huán)境下基于滾動窗口的機器人路徑規(guī)劃算法，該法利用機器人實時測得的局部信息，以滾動方式進行在線規(guī)劃，實現(xiàn)了優(yōu)化與反饋的合理結(jié)合，具有良好的避碰能力。但容易產(chǎn)生死鎖，且動態(tài)環(huán)境下的障礙物運動規(guī)律必須已知。</p><p>　　1.3 履帶機器人研究存在的問題<

67、;/p><p>　　機械制造業(yè)在發(fā)達國家中基本上實現(xiàn)了機電信一體化。建設(shè)機械電信一體化、機器人化較之機械手技術(shù)更為復雜和困難，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　?。?）由于建設(shè)施工作業(yè)中每一個具體操作的內(nèi)容和要求都是不確定的， 實現(xiàn)建設(shè)施工自動化，就要求設(shè)備具有人的感覺、認識和判斷能力，成為智能機械，具有自我適應(yīng)作業(yè)對象和環(huán)境變化的能力。因此采用一般的自動化技術(shù)是不夠的， 唯有采用智

68、能化控制技術(shù)，目前智能化控制技術(shù)理論比較成熟，在一些高科技領(lǐng)域得到了應(yīng)用，但由于建設(shè)施工設(shè)備工作環(huán)境的不確定性，其控制系統(tǒng)的復雜程度使這些技術(shù)的應(yīng)用還有待于研究和開發(fā)。</p><p>　?。?）建設(shè)機器人的研制和開發(fā)，要用到機、電、光、聲、化學以及生物等多學科的知識，須將多種技術(shù)組合后進行信息處理，如何把各種技術(shù)組織成一個成熟的信息系統(tǒng)也是一個相當大的問題。</p><p>　　（3）建

69、設(shè)機器人多是大型設(shè)備，其輸出功率大，一般都采用液壓、液力傳動，對元器件的要求相當高。而且建設(shè)機器人的工作條件惡劣，環(huán)境溫度變化很大，陽光、雨雪、塵埃、潮濕等嚴酷的工作環(huán)境以及強烈的振動和沖擊對系統(tǒng)的元件影響很大，國內(nèi)相關(guān)元件的質(zhì)量還有待提高， 對實現(xiàn)建設(shè)機器人的國產(chǎn)化是一個不利因素。</p><p>　　1.4 論文各部分內(nèi)容</p><p>　　本論文在第一章簡單的介紹了目前對于履帶機器

70、人避障控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，針對國內(nèi)外做了分開的研究。第二章將會介紹基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)的硬件原理。第三章主要描述了履帶機器人避障的方法設(shè)計。對于履帶機器人的控制算法及仿真將會在第四章設(shè)計與介紹。第五章就是系統(tǒng)的軟件設(shè)計了，通過對主控制器編寫程序來控制履帶機器人的避障行為。對于第六章將描述這一課題的結(jié)論，并寫出來本人對未來履帶機器人的前景展望。</p><p>　　第二章 基于DSP的履帶機器人避障系統(tǒng)硬

71、件原理</p><p>　　通常，一個完整的履帶式移動機器人系統(tǒng)應(yīng)包括移動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等部分。由于本論文中的研究還處于初級階段，系統(tǒng)配置尚不齊全，因此，移動機器人只包括移動機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分。其中，移動系統(tǒng)由車架、履帶和輪系組成。因移動系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計不在本文的研究范圍之內(nèi)，故不再做進一步的介紹?？刂葡到y(tǒng)部分由步進電機、驅(qū)動器、控制器、仿真器及控制軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。下面將對控制系統(tǒng)的各部分逐

72、一進行介紹。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案</p><p>　　本設(shè)計的履帶輪控制系統(tǒng)采用DSP作為主控制器，由此可以構(gòu)建機器人運動控制系統(tǒng)，如圖2.1所示:</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)運動控制總體框圖</p><p><b>　?。?）控制器</b></p><p>

73、　　控制器模塊設(shè)計主要是組成DSP最小系統(tǒng)，包括時鐘、復位電路、外部存儲器電路、JTAG接口等。DSP強大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設(shè)計要求，處理速度快且具有大量可編程的外設(shè)接口，能靈活實現(xiàn)與外界通信。</p><p><b>　　（2）信號隔離</b></p><p>　　從控制器接收車輪電機 PWM驅(qū)動控制信號，并通過光電隔離，實現(xiàn)了對控制器的隔離保護，

74、提高了電路的抗干擾性與可靠性。</p><p><b>　?。?）功率驅(qū)動</b></p><p>　　機器人的電機驅(qū)動模塊具有欠壓保護，過流保護和故障輸出功能。大大的簡化了電路的設(shè)計，增強了系統(tǒng)的可靠性。功率元件主要由與非門、電阻、晶體管、續(xù)流二極管組成，對從信號隔離模塊輸入的控制信號進行運算放大，轉(zhuǎn)換成電機的驅(qū)動信號，從而驅(qū)動直流電機運轉(zhuǎn)。</p>

75、<p><b>　　（4）檢測模塊</b></p><p>　　該模塊主要采集反饋信號，由電流檢測和電機轉(zhuǎn)速檢測模塊組成。電流檢測的方法有電阻檢測、霍爾電流傳感器等各種不同的方法，本系統(tǒng)采用了霍爾電流傳感器檢測。將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號再經(jīng)過放大和濾波以后將反饋信號變化為壓3V的電壓信號送到DSP的A/D采樣單元。電機測速部分由一個霍爾開關(guān)和信號放大電路組成?；魻栭_關(guān)采集轉(zhuǎn)速值，經(jīng)

76、整形、放大輸出，直接輸入到DSP的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時使能觸發(fā)，通過計數(shù)定時器對負脈沖計數(shù)，得出電機轉(zhuǎn)速信號，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.2 履帶機器人DSP控制器的選擇與介紹</p><p>　　履帶機器人DSP控制器的設(shè)計是機器人控制系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。其硬件控制電路主要包括DSP控制芯片TMS320F2812，地址總線驅(qū)動芯

77、片LVC16244，同時也可作為電平轉(zhuǎn)換芯片使用，數(shù)據(jù)總線驅(qū)動芯片LVC16245，CAN總線驅(qū)動芯片UC5350，外部擴展存儲器IS6lLV6416，串口通信轉(zhuǎn)換芯片MAX232，以及復位、時鐘單元，電源轉(zhuǎn)換單元。</p><p>　　圖2.2 DSP控制器最小系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　2.2.1 TMS320F2812芯片介紹</p><p>　　本系統(tǒng)

78、采用的TMS320F2812芯片是美國TI公司新型研制的面向電機控制、工業(yè)控制的一款帶片內(nèi)Flash的32位定點DSP。該芯片將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一體，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的技術(shù)平臺。具有成本低，功耗小，改進的并行結(jié)構(gòu)，高性價比的優(yōu)點，在與現(xiàn)有的C240x系列DSP芯片代碼兼容的同時，還具有靈活的指令集，更快的運算速度，更高的外設(shè)集成度，更大的數(shù)據(jù)程序存儲量，更精確快速的A/D轉(zhuǎn)換等主要特點，成為信號處理及控制應(yīng)用

79、技術(shù)的理想選擇。</p><p>　　其主要資源和性能指標如下：</p><p>　?。?）32位定點處理器，供電電壓3.3v，150MHZ的高主頻，系統(tǒng)周期為6.67ns的處理速度，運算速度可達15OMIPS，支持雙16x16乘加操作，因而可兼顧控制和快速運算的雙重功能；</p><p>　　（2）采用經(jīng)典哈佛總線結(jié)構(gòu)，利用多總線在存儲器、外圍模塊和CPU之間轉(zhuǎn)換

80、數(shù)據(jù)，使之可以在一個周期內(nèi)并行完成取指令、讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，同時它采用了指令流水線技術(shù)，保證信號處理的快速性和實時性；</p><p>　　（3）內(nèi)部存儲器包括128Kx16bit的內(nèi)部Flash，18Kx16bit的內(nèi)部SARAM;可外擴1Mxl6位的程序和數(shù)據(jù)存儲器，存儲器統(tǒng)一編址，其尋址空間達4M；</p><p>　?。?）中斷資源豐富，可支持45個外設(shè)級中斷和3個外部中斷，提取中斷

81、向量和保存現(xiàn)場只需9個時鐘周期；</p><p>　?。?）擁有雙事件管理器EVA和EVB，分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CA衛(wèi)、2路16位定時器。事件管理器適用于控制交流電機、直流電機、開關(guān)磁阻電機，步進電機、多極電機和逆變器等；</p><p>　　（6）擁有兩個SCI口和一個SPI口，增加了數(shù)據(jù)緩存功能，此外串行通訊模塊還包括增強的eCAN總線和1個增強型多通道緩存串口

82、，能滿足多種通訊的需要；</p><p>　?。?）16通道12位的ADC模塊，可設(shè)置多種采樣方式，內(nèi)部含兩路采樣保持器，一個轉(zhuǎn)換單元，可實現(xiàn)雙通道同步采樣，最小轉(zhuǎn)換時間為80ns。</p><p>　　TMS320F2812強大的功能使其能滿足嵌入式智能控制單元的設(shè)計要求，比起TMS320C240X系列來講，各項性能指標都有了顯著的提高，提供了足夠的處理能力，使一些復雜的實時控制算法的應(yīng)

83、用成為可能。</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)外部擴展存儲器</p><p>　　DSP芯片內(nèi)部具有18K的SARAM和128K的Flash可以擦寫，但是不支持在線調(diào)試，調(diào)試過程中如果每次都使用專用的Flash燒寫插件將程序存入閃存，不僅操作麻煩，而且損壞了閃存的壽命，所以本最小系統(tǒng)板上外擴了兩片零等待周期的研K數(shù)據(jù)存儲器RAM，芯片型號為ISLV6416，提供總共128K的外部存儲器

84、。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，內(nèi)部的存儲器往往要優(yōu)先使用，這樣可以能夠能好的提高系統(tǒng)的運行效率。</p><p>　　此外，外部存儲器的速度要受等待周期的影響。F2812能夠內(nèi)部產(chǎn)生外部接口的等待周期。片外等待周期由片內(nèi)等待產(chǎn)生寄存器確定。為了能夠獲得零等待的存儲器接口，系統(tǒng)必須正確的配置等待寄存器。也可以通過外部ready信號來產(chǎn)生等待周期。外部存儲器接口譯碼通過XC95144XL來完成。</p><

85、p>　　圖2.2 DSP外部擴展RAM原理圖</p><p>　　ISLV6416是ISSI公司生產(chǎn)的64K*16位高速CMOS RAM。3.3V電壓供電，低功耗設(shè)計，三態(tài)輸出，靜態(tài)操作，無需時鐘信號或刷新。F2812的存儲器采用統(tǒng)一編址方式，存儲器由兩種配置方式：一種是DSP工作在計算機模式并且啟動內(nèi)部的B00T模式，此時可以選擇從內(nèi)部的Flash運行程序；另一種是內(nèi)部的Flash被屏蔽并且XDTF Z

86、ONE 7空間被使能。</p><p>　　2.3 傳感器的選擇與介紹</p><p>　　2.3.1 聲納傳感器 </p><p>　　聲納傳感器[25~27]是利用超聲波原理研制成的超聲波是一種震動頻率高于聲波的機械波。由換能晶片在電壓激勵下發(fā)生震動產(chǎn)生，它具有頻率小，波長短，方向性好，能夠射線定向傳播。脈沖式聲納傳感器信號處理簡單，價格低，被廣泛用在機器人測

87、距避障，定位導航等。通過測量由發(fā)射到接收所經(jīng)過的時間以及超聲波在空氣中傳播的速度來測得機器人到障礙物的距離。測距原理如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 600系列聲納傳感器測距原理圖</p><p>　　傳感器即是超聲波發(fā)射器，又是超聲波接受器，發(fā)射的超聲波頻率為50kHz。靜電換能器是一個圓形的薄片，在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能，接收超聲波的時候，將超聲波能轉(zhuǎn)換為

88、電能。薄片的材料是塑料，其正面涂有一層金屬薄膜，背面有一塊鋁制后板，如圖2.4所示。薄片和后板構(gòu)成了一個電容器，當給薄片加上頻率50kHz，電壓峰值為300V的方波電壓時，薄片以同樣的頻率震動，產(chǎn)生頻率為50kHz的超聲波。傳感器內(nèi)有一個調(diào)諧電路，當接收回波時，只有頻率接近50kHz的信號才能接收，其他的頻率信號則被過濾，計時和距離計算需另外硬件電路和軟件來實現(xiàn)。</p><p>　　圖2.4 600系列傳感器機

89、械原理圖</p><p>　　聲納傳感器最主要的測距方法是渡越時間法TOF(time of flight)。即聲波從發(fā)射到碰到前方障礙物之后被接收到所經(jīng)歷的時間間隔。依據(jù)的原理是聲波與目標之間的距離與聲波在聲源與目標之間的傳播的時間成正比。這種方法對對象的材料性質(zhì)依賴較小，并且不受電磁波、粉塵等干擾。障礙物與傳感器之間的距離可以通過下式來計算：</p><p><b>　　公式（

90、2.1）</b></p><p>　　式中：－機器人到障礙物的距離(m)</p><p>　?。暡ㄍ祩鞑r間(s)</p><p>　　－聲波在介質(zhì)中傳播速率(m/s)</p><p>　　在空氣中聲波傳輸速率為：</p><p><b>　　公式（2.2）</b></p&g

91、t;<p>　　為環(huán)境攝氏溫度，在測量精度不是要求很高的情況下，可以認為為常數(shù)。</p><p>　　2.3.2 航向角傳感器</p><p>　　測定集礦機航向角的是磁通門羅盤，是在磁通門場強計的原理上研制出來的。它與磁羅經(jīng)羅盤、電位計羅盤相比，其主要特點是：靈敏度高、可靠性好、體積小、起動快、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適于測弱磁。磁通門羅盤測角系統(tǒng)主要由檢測頭和電路處理兩大部分組

92、成。檢測頭置于地磁磁場中，其測量繞組中偶次諧波的大小和相位就分別反映了地磁磁場的方向，將此信號加以鑒別并通過計算機運算，就能檢測出羅盤載體相對于地磁磁場的方向，從而測定集礦機的航向角。</p><p>　　2.3.3 速度傳感器</p><p>　　履帶機器人速度傳感器采用磁接近開關(guān)傳感器，它的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。齒盤轉(zhuǎn)動，齒盤中的齒和間隙交替通過永久磁鐵的磁場，從而不斷改變磁路的磁阻，通

93、過磁阻的改變而使磁通量發(fā)生變化，感應(yīng)出一定幅度的脈沖電勢，該脈沖電勢的頻率等于磁阻變化的頻率，其頻率跟旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速成正比。測量精度和齒盤的齒數(shù)有關(guān)，齒數(shù)越多精度越高。脈沖信號檢測方法有兩種：檢測脈沖寬度和脈沖頻率。由于深海集礦機速度在0~1m/s的范圍內(nèi)，較慢，因此，采用檢測脈沖寬度的方法。</p><p>　　圖2.5 磁接近開關(guān)安裝示意圖</p><p>　　履帶機器人測速原理如下：把

94、磁接近開關(guān)傳感器作為變送器，安裝在左右兩條履帶驅(qū)動輪軸上(如圖2.6，當驅(qū)動輪帶動履帶行走轉(zhuǎn)動時，固定在其上的導磁探測桿同步轉(zhuǎn)動，順次通過磁接近開關(guān)，發(fā)出開關(guān)量速度檢測信號。驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的快慢，決定了導磁探測桿經(jīng)過磁接近開關(guān)的時間間隔。驅(qū)動輪每轉(zhuǎn)一圈，傳感器產(chǎn)生15個脈沖，每個脈沖走的距離一樣，都是十五之一周長。而每個脈沖時間不一樣，每個脈沖時間通過檢測每個脈沖寬度得到，這樣，一個脈沖時間內(nèi)集礦機走的距離十五之一周長除以一個脈沖時間即得履

95、帶速度。</p><p>　　2.4 電機的選擇與功率驅(qū)動主回路設(shè)計</p><p>　　車輪電機功率驅(qū)動主回路主要由驅(qū)動模塊和檢測模塊等部分組成，由于機器人有左右兩組電機，可以設(shè)計利用DSP的兩個事務(wù)管理器模塊分別控制兩組電機。</p><p>　　2.4.1 信號隔離電路</p><p>　　直流電機是感性負載，工作電壓一般在12V-40

96、V，高DSP電壓，因此DSP與功率驅(qū)動電路間要有隔離電路。本系統(tǒng)采用光電禍合器來完成信號的隔離，以避免前后兩級信號產(chǎn)生相互干擾。</p><p>　　2.4.2 車輪電機功率驅(qū)動模塊設(shè)計</p><p>　　機器人的車輪電機驅(qū)動模塊主要由電源、兩組功率驅(qū)動單元組成，分別用來控制左右兩組車輪電機。采用雙極性PWM驅(qū)動H橋結(jié)構(gòu)電路。</p><p>　　以其中一組為例，

97、F2812的EVA模塊產(chǎn)生四路PWM信號，經(jīng)光電隔離電路隔離后進入功率驅(qū)動電路，功率驅(qū)動電路由4組功率元件組成(分別包括與非門、電阻、晶體管、續(xù)流二極管)，采用H全橋結(jié)構(gòu)。當PWMI和PWM4為低電平，PWMZ和PWM3為高電平時，Tl、T4飽和導通而孔、T3截止，電流從Tl流向電機再流向T4，電機正轉(zhuǎn);反之，當PWMI和P認叭科為高電平，PWMZ和PWM3為低電平時，電機反轉(zhuǎn)。同理兩組功率驅(qū)動電路分別接收EVA和EVB傳送的PWM控制

98、信號，驅(qū)動左右輪電機運轉(zhuǎn)。</p><p>　　TMS320F2812含2個專門針對功率驅(qū)動保護的中斷TICTRIP/PDPINTA和T3CTRIP/PDPINTB，在本系統(tǒng)中作為電機故障保護信號輸入端。當系統(tǒng)出現(xiàn)IPM故障、系統(tǒng)過壓、系統(tǒng)過流中任何一種故障時，必須把保護信號經(jīng)過邏輯處理后與DSP的PDPINT管腳相連，使TICTRIP/PDPINTA信號變?yōu)榈碗娖?，DSP將做相應(yīng)的中斷處理，立即自動封鎖輸出的4

99、路PWM脈沖及停止運行，防止電機進一步被燒壞。</p><p>　　2.4.3 直流電機測速電路原理</p><p>　　F2812內(nèi)部事務(wù)管理器EVA、EVB分別有3個捕獲單元CAPx，用于記錄捕獲輸入引腳上的跳變。電機測速部分由一個霍爾開關(guān)和信號放大電路組成。與電機同軸的轉(zhuǎn)盤上裝有兩塊的強力磁鋼，它們的磁極性相反，以保持轉(zhuǎn)盤的平衡并保證轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)一周，霍爾開關(guān)只導通一次?；魻栭_關(guān)平時輸出

100、為正電壓，當轉(zhuǎn)盤上的磁鋼與霍爾開關(guān)正對時，輸入磁感應(yīng)強度，霍爾開關(guān)輸出負電壓，經(jīng)整形、放大輸出，直接輸入到DSP的捕獲引腳，捕獲單元在捕獲引腳上出現(xiàn)跳變時使能觸發(fā)，通過計數(shù)定時器對負脈沖計數(shù)，得出電機轉(zhuǎn)速信號，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速。對于EVA而言，由于CAPI～AP3用來檢測電機的轉(zhuǎn)速信號，因此計數(shù)時基可以由EVA定時器2產(chǎn)生;PWM1~PWM4用來輸出4路PWM脈沖給電機，因此可以由EVA定時器1提供時基。系統(tǒng)測速電路原理圖如圖2.7

101、所示。其中，3144為霍爾開關(guān)，整形、放大由LM358完成。第一級358作為比較器使用，第二級作為電壓跟隨器，輸出為數(shù)字電壓負脈沖。</p><p>　　圖 2.7 系統(tǒng)測速電路原理圖</p><p>　　2.4.4 電流采樣電路</p><p>　　TMS320F2812中的ADC轉(zhuǎn)換器是一個帶有16通道的12位擻數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配置為兩個獨立的8通道模塊，方便為EV

102、A和EVB服務(wù)。ADC以任務(wù)為單位進行轉(zhuǎn)換，在一個任務(wù)中轉(zhuǎn)換的通道通過兩個排序控制散SEQI和SEQ2)選擇，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在16個結(jié)果寄存器（ADCRESULT0～ADCRESULT15）中，DSP可以單獨訪問結(jié)果寄存器。對于采用PWM調(diào)制波控制的電機系統(tǒng)，在采用電流信號中會含有脈動成分，需要對電流檢測信號進行濾波，硬件濾波器常見的是由RC電路構(gòu)成的低通濾波器。在該系統(tǒng)中，采用一個旁路電阻對電機電流進行采樣，電流采樣電路原理圖如下圖所示

103、。其中輸入端是來自采樣電阻的壓降信號。將檢測到的信號，經(jīng)過阻容低通濾波、電壓跟隨器及放大環(huán)節(jié)(運算放大器選用UM358)，反饋到ADC的輸入引腳ADCSOC，DSP內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并在DSP內(nèi)部進行處理。因為ADC接口只能接受壓 3.3V電壓，所以在電路的電壓放大環(huán)節(jié)后面增加了正負限幅電路，主回路電流的檢測由霍爾元件完成。</p><p>　　圖2.8 系統(tǒng)電流采樣電流原理圖</

104、p><p>　　2.5 硬件系統(tǒng)抗干擾技術(shù)</p><p>　　系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標。如果抗干擾性不好，將引起諸如測量數(shù)據(jù)精度不夠、所測數(shù)據(jù)值不穩(wěn)定、系統(tǒng)電壓偏移無法正常工作以及可能導致系統(tǒng)軟件無法運行等問題，甚至還會造成元件損壞。</p><p>　　為了減小系統(tǒng)在特定的環(huán)境中受到的電磁干擾，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應(yīng)

105、從以下幾個方面進行抗干擾設(shè)計。</p><p>　　2.5.1 電源的抗干擾設(shè)計</p><p>　　控制電源的穩(wěn)定性對控制電路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。本研究課題的控制電路有多種電源類型：+24V模擬信號電源；+5V數(shù)字信號電源；+3.3V、+l.5V控制器供電電壓；+15V運放電路供電電源。任何電源及輸電線路都存在內(nèi)阻，正是這些內(nèi)阻才引起了電源的噪聲干擾。同時為了消除各支路電流流經(jīng)公共地線時所

106、產(chǎn)生的噪聲電壓，避免受磁場和地電位差的影響，為此，控制電路的電源設(shè)計中應(yīng)當采取了以下措施：</p><p>　?。?）強電部分與弱電部分分開布置，自成系統(tǒng)，中間使用高速數(shù)字光禍隔離。</p><p>　?。?）在系統(tǒng)的弱電部分將模擬地、數(shù)字地、電源地等分開，并使用較多的接地線以減小或者消除各個模塊間存在的地線電位差，最后才在一點將它們連接。避免模擬電路中的干擾信號竄入數(shù)字電路。</p

107、><p>　?。?）對于F2812，采用DC/DC模塊電源單獨供電，減小主電路對DSP的影響。</p><p>　?。?）對模擬信號的采樣采用高速、精密線性光藕隔離。</p><p>　?。?）電源部分并聯(lián)多只0.1μF電容，濾除從電源傳入的干擾，對同一芯片盡量減小電源線與地線的距離。</p><p>　　（6）集成器件的電源輸入端就近使用禍合電

108、容，防止電源層電平擾動。</p><p>　?。?）電源線的布置除了要根據(jù)電流的大小，盡量加粗導體寬度外，采取使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，將有助于增強抗噪聲能力。</p><p>　　2.5.2 PCB的抗干擾設(shè)計</p><p>　　在控制電路的印刷電路板 (PCB)上模擬、數(shù)字、放大電路等不同電路之間存在相互的電磁干擾。同時，印制線的電感成分產(chǎn)生