近年來研究移動機器人倍受重視，仿照生物功能發(fā)明的各種移動機器人越來越多，小到娛樂機器人玩具、家用服務(wù)機器人，大到礦產(chǎn)勘測、工程探險、軍事偵察機器人等。避障小車是一種移動機器人，它通過傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境，在復(fù)雜環(huán)境中自主移動并完成避障，一般采用超聲波、紅外、激光、CCD等傳感器設(shè)計。由于紅外傳感器探測視角小。方向性強，測量精度高，價格便宜，而且可在夜間工作，因此紅外傳感器作為視覺應(yīng)用于移動機器人避障。本設(shè)計是以TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407型DSP為核心，采集環(huán)境信息并控制智能小車，3個紅外發(fā)收傳感器檢測智能小車前方的障礙物，并且根據(jù)障礙物位置進行自動避障。

1 自動避障小車總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由DSP控制、電機驅(qū)動、電源、測速以及視覺等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

小車為3輪結(jié)構(gòu)，前面2個輪分別由2個電機獨立驅(qū)動控制，后面1個萬向輪作為支撐輪。小車安裝有3個紅外傳感器，分別位于車頭的左、中、右部位，用于采集環(huán)境信息。車體規(guī)格為：車身板距地7．5 cm，車長25 cm，車寬12 cm，車輪半徑5．5 cm。速度控制采用定頻調(diào)寬的PWM調(diào)速，并應(yīng)用速度反饋和閉環(huán)PID控制，從而實現(xiàn)小車精確的速度和位置控制。

2 自動避障小車的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)以DSP TMS320LF2407A為核心，該DSP片內(nèi)資源豐富，具有電機控制的獨特資源，12路脈寬調(diào)制(PWM)輸出。視覺模塊采用E3FDS3-0P1型紅外傳感器，有效探測距離為30 cm，探測角度30°。將3個紅外傳感器分別接至I／OPE接口的I／OPE4、I／OPE5和I／OPE6。由于光電開關(guān)正常狀態(tài)時信號高電平為5 V，而DSP標(biāo)準(zhǔn)高電平為3．3 V，所以應(yīng)在光電開關(guān)與DSP之間串聯(lián)分壓電阻。電源采用12 V蓄電池供電。DSP是以+3．3 V電壓供電，因此必須將+12 V標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換成+3．3 V。該系統(tǒng)采用LM7805與MAX604作為電源轉(zhuǎn)換器。12 V電源首先經(jīng)LM7805調(diào)壓到5 V，先將5 V電壓送入紅外傳感器，再送入MAX604降壓為3．3 V，如圖2所示。

采用L298驅(qū)動電機，0UTl，0UT2分別與小車的一個電機的正負極相連；OUT3，OUT4分別與小車的另一個電機的正負極相連；L298的INl和IN2引腳分別與DSP的IOPE0(方向4)、IOPE1(方向3)引腳連接，用于接收主控器件輸出的轉(zhuǎn)向電機的動作指令，并通過0UTl和OUT2控制左電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，L298的IN3，IN4引腳分別與DSP的IOPE2(方向2)、IOPE3(方向1)引腳連接，用于接收主控器件輸出的驅(qū)動電機的動作指令，并通過0U113，OUT4控制前方右電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，而ENA和ENB引腳分別連接到DSP的IOPE0(PWM3)、IOPEl(PWM4)引腳，用于控制電機的速度，

其電路原理圖如圖3所示。

L298分別控制并調(diào)整前面2個電機的旋轉(zhuǎn)方向，控制小車的前進、后退、向左、向右、停止。由于小車采用三輪結(jié)構(gòu)，前面2個輪既是動力輪又是方向輪，當(dāng)INl、IN2、ENA分別為l、0、1，同時IN3、IN4、ENB分別為0、l、l時，小車前進；當(dāng)INl、IN2、ENA分別為1、O、l，同時IN3、IN4、ENB分別為l、0、l時，小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)INl、IN2、ENA分別為0、1，1，同時IN3、IN4、ENB分別為1、0、1時，小車左轉(zhuǎn)。

采用測速電機測量電機轉(zhuǎn)速，以此判斷速度。電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，其輸出經(jīng)過HD74HCl4P(HD74HCl4P內(nèi)部有若干反相器電路，可完成寄存器復(fù)位)，送至DSP的PA3(CAPl)和PA4(CAP2)引腳，根據(jù)軟件設(shè)置使計數(shù)器對脈沖信號上升沿進行遞增計數(shù)。如圖4所示。

3 自動避障小車的軟件設(shè)計

DSP每隔一段時間對I／OPE4，I／OPE5，I／OPE6這3個端口進行查詢，沒有障礙物時這3個端口為高電平。即111，左邊有障礙物時為011，右邊有障礙物時為110。前方有障礙物時則為010。小車根據(jù)紅外傳感器接收的信號判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動作，如表1所示。

小車在普通情況下(無障礙物)處于前進狀態(tài)，當(dāng)T3定時器發(fā)生周期中斷時，進入程序開始檢測光電開關(guān)的信號線端口，如果有障礙物則從避障程序中選擇一個執(zhí)行(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后轉(zhuǎn))，進行避障動作，如果沒有障礙物則小車繼續(xù)前進并且等待定時器的下一次中斷，其程序流程如圖5所示。

調(diào)節(jié)PID參數(shù)不僅可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。還能兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力。首先應(yīng)找出小車的理想速度，這是PID調(diào)節(jié)的前提，也是加入測速的原因。由于測速電機測得的是小車右輪實際速度。先給小車右輪電機一個初始速度，讓小車以給定的初始速度運轉(zhuǎn)起來。然后利用PID算法調(diào)速：在給定速度不變的情況下，每掃描一次程序。小車的實際反饋速度便與理想速度相比較，利用PID算法便可更新給定值。這樣，不斷更新給定值，直到實際速度與理想速度保持一致或者到下一次賦值則停止更新(ek=O)。程序流程如圖6所示，圖6中，設(shè)右輪給定速度v對應(yīng)的理想速度為V，僅限右輪電機，b’為給定速度b對應(yīng)的實際速度。

4 試驗

避障小車安裝調(diào)試完成后，對小車性能進行測試：

1)小車的避障能力試驗測試 錯落擺放障礙物，讓小車向障礙物方向前進，當(dāng)距障礙物約25 cm時，小車左轉(zhuǎn)，然后再向前(左方?jīng)]有障礙物)。試驗發(fā)現(xiàn)小車的傳感器對亮色反映比較明顯，比如遇到白色障礙物，小車會在30 cm外就發(fā)現(xiàn)障礙物并產(chǎn)生動作；當(dāng)小車遇到黑色障礙物時，一般約在15 cm時才能感應(yīng)到障礙物。

2)PID算法和PWM方法測試 分3次對小車進行測試，每次要求避開10個黑色障礙物。采用不加入PID程序和PWM程序的小車進行測試，小車3次分別避開6、7、7個障礙物；而采用加入PID程序和PWM程序的小車進行測試，小車3次分別避開9、10、9個障礙物。試驗表明加入PID算法和PWM方法的小車在調(diào)速方面明顯優(yōu)于不加入程序的，并在遇到障礙物時和避開障礙物后都能夠快速調(diào)速，使小車避障能力大大提高。

5 結(jié)論

本文對避障小車的設(shè)計進行分析后，提出了在DSPTMS320LF2407技術(shù)平臺上實現(xiàn)小車自動檢測前方障礙物，并給出躲避動作方法。避障車最終實現(xiàn)了從無障礙地區(qū)啟動前進，利用車體前端傳感器感應(yīng)前進路線上的障礙物后，并且根據(jù)障礙物的位置選擇下一步行進方向，避開障礙物。由于紅外傳感器探測信息有限(只能探測障礙物的有無，無法得到距離信息)，不能夠判斷障礙物的距離、大小及形狀等。如果使用攝像頭作為視覺探測系統(tǒng)，則可使避障小車性能更好，應(yīng)用范圍更廣泛。這也是后續(xù)研究方向。

發(fā)布者：小宇