輪式遙控機器人導(dǎo)航系統(tǒng)電路設(shè)計攻略

輪式遙控機器人已經(jīng)應(yīng)用在地震、火災(zāi)等一些危險的室內(nèi)區(qū)域進行救援和探測，或執(zhí)行反恐任務(wù)。由并且近年來MEMS(微機電系統(tǒng))結(jié)構(gòu)的慣性傳感器隨半導(dǎo)體技術(shù)的進步得到了迅速發(fā)展，使其低成本而高精度的期望得到了實現(xiàn)。MEMS慣性傳感器組成的慣性導(dǎo)航裝置結(jié)合輪式小車的里程計，能夠產(chǎn)生導(dǎo)航和定位信息，減少對外部環(huán)境的倚賴，實現(xiàn)在外部環(huán)境條件(例如光照、墻壁材質(zhì))未知情況下的導(dǎo)航，因此本項目采用了具有強大數(shù)字信號處理功能的DSP 28335芯片和PC控制終端，實現(xiàn)慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集、時序邏輯控制、與驅(qū)動系統(tǒng)通信和地圖顯示功能， 具有體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點。綜上所述，本文將選用低成本的MEMS器件，結(jié)合DSP和卡爾曼濾波算法，能實現(xiàn)較高精度的輪式小車導(dǎo)航和定位。

系統(tǒng)體系架構(gòu)

本文的目標(biāo)是研制一個輪式小車慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠通過wifi實現(xiàn)PC終端和手持終端控制輪式小車行動以及小車所采集數(shù)據(jù)的傳輸。搭建如下圖1所示的系統(tǒng)，TI公司的浮點DSPTMS320F28335芯片作為主數(shù)字信號處理器，采集各MEMS慣性傳感器的信號并處理，處理結(jié)果通過WIFI將數(shù)據(jù)輸送到PC終端;PC終端負責(zé)顯示定位結(jié)果和地圖顯示，并向小車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)送控制命令，同時接收驅(qū)動系統(tǒng)反饋的里程計信息。

硬件設(shè)計上，主要分為核心板和驅(qū)動板。核心板包括DSP最小系統(tǒng)，JTAG下載口設(shè)計，系統(tǒng)電源供給電路和MEMS傳感器，WIFI模塊等。而驅(qū)動板主要設(shè)計的內(nèi)容是直流大電機的驅(qū)動模塊。TMS320F28335工作時需要的電壓不同：內(nèi)核電壓(1.9 V)與I/O供電電壓(3.3 V)，對于電源比較敏感，所以電源部分利用兩路輸出電源器件TPS767D318來實現(xiàn)，如圖2所示。同時根據(jù)仿真實驗和實際焊接電路的測試，電源模塊輸出端最好使用一些容值不小于10uf的保護電容，且不能使用貼片電容，否則工作不穩(wěn)定。

在電源設(shè)計中，考慮到TPS767D318芯片可以產(chǎn)生復(fù)位信號，所以在核心板上并沒有再另外為DSP設(shè)計復(fù)位電路。

TAG下載口電路設(shè)計

圖3為JTAG電路，按照仿真器的通信引腳選擇14腳的仿真接口，同時要注意EMU0和EMUl信號必須通過上拉電阻連接至電源，其中上拉電阻為10kΩ。

車驅(qū)動板設(shè)計

在本裝置中，我們采用BTS7960作為直流電機驅(qū)動芯片。BTS7960是集成的大電流半橋驅(qū)動，其內(nèi)部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半橋門集驅(qū)動，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj = 25 °C 時，其內(nèi)阻抗為17mΩ。裝置采用了兩個直流大電機，如圖4所示為驅(qū)動單個電機前后轉(zhuǎn)向的電路圖。

在電機驅(qū)動這里，需要注意一個細節(jié)，就是電機在轉(zhuǎn)動過程中有可能會產(chǎn)生反向的電動勢，使電流一瞬間過大，導(dǎo)致單片機復(fù)位甚至有可能燒壞芯片。因此在設(shè)計過程中，可以考慮在單片機PWM輸入到電機驅(qū)動接口的地方添加光耦器件隔離或者二極管。如圖5所示，驅(qū)動板選擇了tlp521-4這種光耦器件設(shè)計隔離電路，減小電壓的干擾，減化電路的設(shè)計，同時也把四路PWM的I/O電平從3.3上拉到5V。

在軟件程序設(shè)計上，主要應(yīng)用九自由度慣性導(dǎo)航傳感器(ITG3200+ADXL345 +HMC5883L )，結(jié)合DSP和卡爾曼濾波算法，能實現(xiàn)較高精度的輪式小車導(dǎo)航和定位。本文所設(shè)計的輪式小車室內(nèi)慣性導(dǎo)航裝置，分析了該軟件設(shè)計的各個模塊的具體實現(xiàn)方法。經(jīng)實驗結(jié)果表明，該設(shè)計能夠?qū)崟r監(jiān)測到移動機器人的位置信息，并對其能實現(xiàn)有效控制。同時其低成本、高精度、易操作的特點將進一步應(yīng)用于例如巡邏機器人、救援機器人等專業(yè)領(lǐng)域，必將吸引國內(nèi)外眾多的投資商對其投資并進行更進一步的研發(fā)與應(yīng)用，使其有著十分廣大的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)前景、應(yīng)用前景和市場前景。