摘? 要: 介紹了自行設計的移動機器人" title="移動機器人">移動機器人CASIA-I中超聲測距" title="超聲測距">超聲測距系統(tǒng)的軟、硬件,以及超聲測距數據與上位機" title="上位機">上位機通信的設計和實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)以DSP-TMS320LF2407A作為核心處理器,以CAN總線為基礎,實現(xiàn)了上述功能。經實驗驗證,測距范圍為0.45m～3.5m,系統(tǒng)測距精度在0.7%以內,可以滿足移動機器人室內導航的要求。
關鍵詞: 移動機器人? DSP? 超聲測距? CAN總線通訊
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移動機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下運行,必須具備自動導航和避障功能。在移動機器人的導航系統(tǒng)中,傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器" title="超聲傳感器">超聲傳感器[1]等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中,超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低,被廣泛用作移動機器人的測距傳感器,以實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導航等功能。
傳統(tǒng)的輪式移動機器人超聲數據采集系統(tǒng)大多采用單片機作為微處理器,以此來測量移動機器人到障礙物的距離,并將距離通過串口傳輸到上位機。采用這種設計,系統(tǒng)制作簡單、成本低。但是,對于多超聲傳感器測距系統(tǒng),如果仍采用單片機來完成測距任務,由于系統(tǒng)中超聲傳感器數量較多,為保證系統(tǒng)的實時性,就需要多個單片機才能完成數據采集,這使得采集系統(tǒng)不可避免地存在設計復雜和一些算法難以實現(xiàn)等缺陷。隨著微電子工藝的發(fā)展,數字信號處理器(DSP)的應用領域已從通信行業(yè)拓展到工業(yè)控制領域。TI公司推出的TMS320LF2407A是專門針對控制領域應用的DSP,它具有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構,其指令執(zhí)行速度高達40MIPS,且大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內執(zhí)行完畢。另外,它還具有非常強大的片內I/O端口和其它外圍設備,可以簡化外圍電路設計,降低系統(tǒng)成本。正是基于這種思想,中國科學院自動化研究所在國家“863”計劃的支持下,利用多DSP和嵌入式PC104自行設計和研制了輪式移動機器人CASIA-I。本文著重介紹其超聲數據采集系統(tǒng),同時對通過CAN總線完成的超聲數據與上位機通訊的原理和設計過程進行分析說明,并給出實驗結果。
1 超聲測距原理
超聲測距的原理較簡單,一般采用渡越時間法[1],即：
其中D為移動機器人與被測障礙物之間的距離,c為聲波在介質中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為[1]：
其中,T為絕對溫度,c0=331.4m/s。在不要求測距精度很高的情況下,一般可以認為c為常數。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t,即“渡越時間”,然后根據式(1)計算距離。
2 系統(tǒng)硬件設計
在距地面高度為45cm、相隔為22.5°的同一環(huán)上均勻分布著16個Polaroid生產的超聲傳感器,其編號為1#～16#(逆時針安排),超聲傳感器波束角為30°,超聲傳感器的最小作用距離為0.45m。超聲數據采集板主要有兩大模塊:一是16路超聲傳感器的超聲波發(fā)射和回波的接收模塊，二是與上位機(機器人中央控制器" title="中央控制器">中央控制器)的CAN總線通訊模塊。其硬件結構見圖1。
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TMS320LF2407A向I/O端口發(fā)出控制信號,啟動內部定時器進行計時。此控制信號經功率放大后作為超聲傳感驅動電路的啟動信號(INIT),超聲傳感器產生的、遇到障礙物時返回的高頻振蕩信號經放大(為彌補傳播過程中信號的衰減)使超聲傳感驅動電路的ECHO端產生高電平脈沖。ECHO 電平變化經過門電路后引起TMS320LF2407A外部中斷,在中斷程序內獲取定時器的計數值,根據式(1)計算距離;否則,認為傳感器前方探測范圍內無障礙物。
因為超聲傳感器之間的安裝位置相差22.5°,而超聲傳感器的波束角為30°,如果超聲波同時發(fā)射,必然會有干擾。如果采用輪循方式,即一個接一個地發(fā)射超聲波,雖然可以消除串擾回波的影響,但是16個超聲傳感器輪循一次周期較長,降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時消除超聲的相互干擾,本系統(tǒng)將16個超聲傳感器分成A(1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#)和B(2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#)兩組,因為同一組內的兩個超聲傳感器安裝位置相差45°,通過計算可以知道,這種情況下超聲傳感器同時工作不會產生干擾,因而每一組里的超聲傳感器同時工作,組與組之間則采用輪循方式工作。這樣既可以達到很高的采集頻率,同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。每組8個超聲傳感器的ECHO端分別連接到一門電路,然后通過門電路連接DSP的XINT1和XINT2端。XINT1/2引腳電平發(fā)生跳變時會產生外部中斷,通過I/O口可以知道是哪個或哪幾個傳感器引起中斷。
TMS320LF2407A內部集成了CAN控制器,通過它可以方便地構成CAN控制局域網絡。TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口與CAN收發(fā)器SN65HVD230相連,通過SN65HVD230連接CAN總線。SN65HVD230是TI公司生產的專門針對240X系列DSP內CAN控制器與物理總線的接口。它的供電電壓和TMS320LF2407A一樣,僅為3.3V。由于CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性,最高傳輸速率可達到1Mbps。超聲采集板的數據能夠快速、可靠地傳給中央控制器。
3 軟件設計
系統(tǒng)軟件主要由兩部分構成,即超聲數據采集與處理模塊、CAN總線通訊模塊。
3.1 多路超聲傳感器數據采集模塊
超聲傳感器被分為兩組,兩組循環(huán)交替工作。軟件設計上采用兩個定時器依次工作,分別對兩組傳感器進行計時。選擇定時器的周期比超聲傳感器探測最大距離所需的渡越時間稍長。在每個定時器周期開始時,觸發(fā)一組超聲傳感器同時開始工作。在定時器周期內,每個回波返回,都會觸發(fā)一次外部中斷(XINT1或XINT2中斷),在外部中斷處理程序內,將超聲波返回時間進行紀錄,并將相應的超聲傳感器關閉。外部中斷處理程序非常簡短,本系統(tǒng)只用了不到20條指令,并且TMS320LF2407A指令執(zhí)行速度很快,因而即使因進入外部中斷處理程序而延誤了對后來回波的處理,但這種延誤的時間根據計算不大于0.5μs,由此引入的距離誤差根據(1)式計算小于83.5×10-6m?？梢娬`差非常小,可以忽略不計。當定時器中斷時,對于距離大于最大超聲探測范圍的,沒有相應的時間記錄,給它們加上超出測距范圍的標志。其它的時間數據都有記錄,根據(1)式計算距離,然后啟動下一個定時器工作,并觸發(fā)下一組超聲傳感器。本文的超聲傳感器的最大探測距離為3.5m,因而超聲波探測的最長時間為20.58ms。所以每個定時器的周期選為20.6ms。圖2只畫出了一組超聲傳感器的處理框圖,另一組與此相同,不再贅述。
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由于受環(huán)境溫度、濕度的影響,超聲傳感器的測量值與實際值總有一些誤差,表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應的實際值。采用最小二乘法[8]對表1的數據進行擬合,結果為:
y=0.9986x+0.2111
式中,x為測量值,y為實際值。
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3.2 基于CAN總線的數據通信
超聲數據采集板發(fā)送測距數據以中斷的方式完成。TMS320LF2407A有專門的mailbox中斷,用于響應發(fā)送/接收中斷。每個超聲傳感器的測距值在DSP內用兩個字節(jié)存儲,而CAN總線傳輸標準要求每個數據幀最多只能傳輸8個字節(jié)的數據。本系統(tǒng)共有16個超聲傳感器,共有32個字節(jié)存儲所有測距值。CAN總線傳輸所有測距值需要4個數據幀才能傳送完。本系統(tǒng)的通訊過程為:中央控制器發(fā)送遠程請求,超聲數據采集板進入接收中斷,在中斷服務程序內,采用查詢方式發(fā)送4幀數據,每幀數據包含4個超聲傳感器的測距值。本系統(tǒng)采用的波特率是500kbps。TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的遠程請求幀,用mailbox2發(fā)送測距數據值。圖3是超聲數據采集板的發(fā)送數據中斷服務程序框圖。其中,TA2是對應mailbox2發(fā)送數據幀完成的標志位,RMP0是對應mailbox0接收數據幀的標志位。關于TMS320LF2407A的CAN模塊的具體說明,參見文獻[4],在此不作具體介紹。
中央控制器接收子程序由VC++編寫。當機器人需要新的測距值時,即調用此子程序。程序框圖見圖4。接收程序收到一幀數據后,判斷數據是否有錯,若有錯,則向采集板發(fā)送命令,要求重發(fā)此幀數據;若正確,發(fā)送確認命令,要求采集板發(fā)送下一組數據,直到所有的超聲測距數據都接收完。
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本文介紹的超聲數據采集系統(tǒng)采用TMS320LF2407A為核心處理器,可以達到很高的采集速率和精度。通過CAN總線通訊,可以將測距值以很高的波特率可靠地發(fā)送給機器人中央控制器。此系統(tǒng)已經在自行設計的智能移動機器人CASIA-I上得到了實際應用。實驗驗證了硬件系統(tǒng)的可靠性和算法的有效性。
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參考文獻
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