基于DSP和模糊控制的寻线行走机器人设计与实现

1、    基于DSP和模糊控制的寻线行走机器人设计与实现        侯少云，曹卫华，吴 敏，桂卫华 时间:2008年06月10日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 机器人 DSP 模糊控制 光电检测 寻线在最近的机器人比赛和电子

2、设计竞赛中，较多参赛题目要求机器人沿场地内白色或黑色指引线行进。一些研究人员提出了基于寻线的机器人设计策略，主要是关注指引线的检测，但对于机器人的整体设计未做说明。本文在总结此类赛事的基础上，提出了一种将DSP(Digital Signal Processor)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)作为核心处理器，采用模糊控制策略处理来自检测指引线传感器信号的机器人行走机构的通用性设计方法。1 车体机械设计由于机器人比赛对参赛机器人有严格的尺寸限制，需要在有限的空间内合理安排各个机构。本文给出车体最小尺寸时驱动轮、光电传感器以及控制芯片之间的相对位置，

3、如图1所示。2 硬件电路设计这部分主要介绍核心控制器DSP与功能扩展芯片CPLD的连接，简要介绍其它功能模块的硬件实现。系统整体结构如图2所示。2.1 核心控制器设计42.2 光电检测模块光电检测模块的功能是将指引线准确地检测出来。此处主要借助反射式光藕TCRT5000。这是一种自带发光二极管和光敏三极管的器件，其集电极电流Ic与反射距离d之间有图3所示关系。TCRT5000的应用电路见如4所示。当检测到绿色地面时，由于反射率不高，Ic1太小，三极管T2截止而输出高电平。当检测到白色地面时，由于反射率较高，Ic1较大，三极管T2饱和而输出低电平，从而实现了白线的检测。555构成了施密特触发器，

4、用于去除反射性光耦产生的噪声和波形的整形。2.3 动作电机控制电路3 模糊控制策略机器人的设计思想是利用光电检测传感器检测车体偏离指引线的大小来调整左右驱动步进电机的行进速度，使机器人沿指引线行进。这恰好符合模糊控制的思想5。把前后光电检测板上的光电检测传感器编号，将检测到指引线的编号最大的光电检测传感器的编号作为车体偏离的距离，编号方法如表1。这样，模糊控制器有两个输入：前后光电检测板的输入编号；模糊控制器有两个输出：左右步进电机驱动脉冲数。模糊控制器的输入量的语言值模糊子集选取为：LB，LS，ZO，RS，RB。其中：LB左大；LS左小；ZO中心；RS右小；RB右大。输出量的语言值模糊子集选

5、取为：NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。其中：NB负大；NM负中；NS负小；ZO零；PS正小；PM正中；PB正大。根据隶属函数的定义和选取规则，输入变量前部位置iF 和后部位置iB的隶属度选择相同，如图5所示。输出变量左轮转速OUL和右轮转速OUR的隶属度选择相同，如图6所示。根据多次的实验和修正，得到如表2的左轮转速控制规则表(右轮的转速控制规则表内容与左轮的转速控制规则表对应，例如iF为RB、iB为LB时对应的OUL为NB，类似可得到右轮转速控制规则表)。模糊推理采用Mamdani法。反模糊化采用重心法，最终得到如表3所示的左轮转速控制信号输出表(右轮转速控制信号输出表可用类似于右

6、轮转速控制规则表推导的方法得到)。在F240存储空间中以表格的形式存储表3，根据输入可得到相应输出。上述模糊信号的获取通过EPM7128用VHDL语言编程实现，此部分的编程相对简单，不再赘述。由于光电传感器信号的改变可以实时反映在CPLD的输出上，F240只需定时读取此信号并做相应从处理即可。假设前光电检测板和后光电检测板的信号分别保存在RE_CPLD字节的高半字节、低半字节中，若这两个信号大于10则保持原数据不变，否则根据信号的大小计算此值在转速控制信号输出表中的偏移量：LDP #04hLACC #MATRIXLADD ADDER_PS其中#04h为保存转速表的页面，#MATRIXL为转速表

7、起始地址在页面中的偏移量，ADDER_PS为查表值相对转速表起始地址的偏移量。若将查表得到的值变化后保存为控制步进电机转速的定时器的周期，则可以实时改变步进电机的转速：LDP #04hLACC M1_T1PRLDP #0E8h SACL T1PR4 步进电机调速的实现步进电机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，电机转一定角度。步进电机控制器的输入端口有：VDD电机电源正极；GND电源地线；OPTO控制信号的公共阳极；DIR电机方向控制端；FREE脱机输入端；CP脉冲输入端(CP停止施加脉冲时，要保证CP为高电平，使内部光耦截止)。此处给DIR端加高电平，使机器

8、人只向前行进，在程序中只需对CP端进行处理。脉冲的产生通过控制I/O端口的电平变化实现。在设定了定时中断的各种参数后，在定时器中断处理程序中使一个标志字不停地加1：LDP #04hLACC TEST1ADD #1SACL TEST1在主程序中可以设定行走距离，定时中断的时间间隔决定脉冲的频率，也即决定步进电机的运动速度：LDP #04hLACC TEST1SUB #2000BCND STOP，GT其中，数值2 000代表机器人行走的距离单位。利用模糊控制策略，改变控制两个步进电机的定时器定时周期的长短以及行进的距离，可以实现机器人的寻线行进。在总结近期参加的机器人比赛和电子设计竞赛的基础上，针对机器人寻线行走的普遍要求，提出了一种基于DSP+CPLD和模糊控