基于DSP的智能小车避障系统设计

文章编号 : 1003 - 1251 (2008) 01 - 0037 - 05 基于 DSP的智能小车避障系统设计 闫　晶 1 ,周浚哲 1 ,刘喜梅 2 (1. 沈阳理工大学 信息科学与工程学院 ,辽宁 沈阳 110168; 2. 朝阳东风柴油机配件有限责任公司 ) 摘 　要 :避障是自主移动机器人应具备的功能之一 ,以 TI公司生产的 DSP 芯片 TMS320VC5402为核心 ,采集环境信息并对智能小车进行控制 ,选用四组超声波传感器 检测智能小车前方的障碍物 ,设计了智能小车的自动避障系统 ,并阐述其工作原理. 该 系统设计简单、成本低、实时性好 ,在室内环境中取得了预期的实验结果 ,使智能小车无 碰撞到达目的地. 关 键 词 : DSP;智能小车 ;超声波传感器 ;避障 中图分类号 : TP24　　　文献标识码 : A The D esign of O bstacle Avo idance System of In telligen t Carr iage Ba sed on D SP YAN J ing1 , ZHOU Jun2zhe1 , L IU Xi2mei2 (1. Shenyang L igong University , Shenyang 110168 , China; 2. Chaoyang Dongfeng D iesel Spare Parts Co. , L td) Abstract: The obstacle avoidance is one of the main functions that an independently mobile robot should be p rovided. U sing DSP chip2TMS320VC 5402 manufactured by TI Company as a key component, collecting the environmental information and controlling the intelligent car2 riage, a kind of obstacl avoidance system of intelligent carriage is designed. In this system, four group s of ultrasonic sensors are used to detect the barries, which are front of distance be2 tween the intelligent carriage and the barriers. The system’s design is simp le, and has lower cost and better real time features. And at the same time, this system has obtained anticipated experimental results in the indoor environment. That is: the intelligent carriage can arrive at the destination without any collision. Key words:DSP (D igital Signal Processing) ; intelligent carriage; ultrasonic sensor; obstacle avoidance 收稿日期 : 2007 - 09 - 24 作者简介 : 闫晶 ( 1980—) ,女 ,硕士研究生 ; 通讯作者 : 周浚哲 (1955—) ,男 ,教授. 研究方向 :智能控制. 　　移动机器人是集环境感知、动态决策与 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 、 行为控制与执行等多功能于一体的综合系统 [ 1 ] . 近年来 ,对移动机器人的研究受到广泛的重视 ,仿 照生物的功能而发明的各种移动机器人越来越 多 ,小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人 ,大到 工程探险、反恐防爆、军事侦察机器人等 ,人们已 经清楚地体会到地面移动机器人作为移动机器平 台的优越性. 移动机器人能够移动到固定式机器 人无法到达的预定目标 ,完成设定的操作任务. 相 应地 ,这些领域对所应用的移动机器人系统也提 出了更高的要求 ,特别是在机器人的运动速度、灵 2 0 0 8 年 2 月 　　　　　　　沈 阳 理 工 大 学 学 报　　　　　　　　　　Vol . 2 7 No . 1 第 2 7卷 第 1期　 TRANSACTIONS OF SHENYANG L IGONG UN IVERSITY Feb. 2 0 0 8 活性、自主性、作业能力等方面的要求越来越 高 [ 2 ] . 避障与导航是移动机器人研究的核心问题 之一. 使移动机器人无碰撞到达终点 ,需解决两方 面的基本问题. 一是在运动过程中利用传感器感 知周围未知环境 ;二是采用适当的算法进行路径 规划来实现机器人的实时避障. 1　系统硬件组成 1. 1　系统核心 D SP TMS320VC5402是 TI公司生产的定点 DSP 芯片 ,具有强大的寻址能力、优化的 CPU结构、智 能外设和快速的运算能力 ,且功耗低、价格便宜. VC5402的最高频率 100MHz,运行速度 100M IPS, 内含 4K ×16bit片内 ROM 和 16K ×16bit片内 DARAM ,具有 6个 DMA通道 、2个多路缓冲串口 和 2个定时器 [ 3 ] . 1. 2　超声波测距系统 采用收、发分立的超声波传感器 ,谐振频率 40kHz,测距范围 10～400cm,精度 1cm,工作电压 为 415～9V. 传感器电路分为两大部分 ,一部分是 超声波发生调理电路 , 另一部分是超声波回波接 收处理电路. 超声波发生调理电路主要包括 NE555震荡发 生器和非门驱动 CD4049. NE555和电容电阻组成 的电路产生 40kHz的方波 ,以使超声波传感器产 生谐振. CD4049对 NE555产生的 40kHz频率信号 进行调理 , 40kHz的方波经 CD4049调理后 ,成为 振幅为 18V的方波 ,提高了发射功率. 因接收到的 波形幅度非常小 ,很难识别. 因此在回波处理电路 中 ,用 NE5532搭成两级交流放大电路 ,把接收到 的波形放大 5000 倍 ,经放大后的波形被送入 LM311比较器 ,经比较器调理后的波形成为方波 , 可直接送到 DSP的外部中断接口. 超声波测距采用普遍使用的渡越时间法 d = ct /2, d为智能小车与障碍物之间的距离 , c为超声 波在空气中传播的速度 , t为超声波从发射到接收 的往返时间间隔. 超声波的速度受温度影响会产 生变化 ,但并不影响小车避障 ,所以可认为声速是 常值 ,取 c = 340m / s[ 4 ] . 1. 3　智能小车 凌阳公司生产的智能小车可通过简单的 I/O 控制实现小车的前进、后退、左转和右转等功能. 智能小车分为车体和控制板两部分 ,控制板将来 自 DSP芯片 I/O口引脚的控制信号转换为电机的 驱动信号以驱动电机使车轮运转 ,小车的驱动和 转向由左右两轮驱动实现 ,左右轮的驱动电路是 全桥驱动电路 , 如图 1 所示. 车体长 20cm、高 1215cm、宽 615cm,双电机四轮驱动. 小车的工作 电压为直流 4 - 6V,车速是 016m / s. 图 1　电机驱动电路 　　图中 Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管组成四个桥 臂 , Q1和 Q4组成一组 , Q2和 Q3组成一组 , Q5控 制 Q2、Q3的导通与关断 , Q6控制 Q1和 Q4的导 通与关断 , Q5、Q6由 I/O口控制. DSP的两个 I/O ·83· 沈 阳 理 工 大 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　2008年 口 HD4和 HD5控制四个桥臂的导通与关断 ,这 样就可以控制两轮电机的运行状态 ,使之正转反 转或者停转 ,进而控制小车的前进、后退和转弯. 另一组电机电路与之相同. 2　系统硬件设计 2. 1　系统概述 图 2为系统框图 ,系统由 DSP芯片、超声波 传感器、多路转换器、控制按键、通信模块和智能 小车等器件组成 TMS320VC5402的内部存储空间 较小 , 选用 64k ×16bit 静态 RAM 存储芯片 CY7C1021 和 1M ×16bit FLASH ROM 芯 片 AM29LV800B对 DSP的存储空间进行扩展. 通信 部分选用的是 MAX IN公司生产的 MAX232. 超声 波传感器连接和通讯部分电路图见图 3. 图 2　系统框图 图 3　系统部分电路图 　　为测量不同方向的障碍物 ,系统共选用 4组超 声波传感器 ,两组并排放置于车体前端 ,另外两组 放置在车顶左右两侧 45°角方向 ,由 DSP通过多路 转换器控制 4路超声波传感器轮流检测障碍物. 按 键控制智能小车的启动与停止 ,行驶后的运动控制 由软件完成. 2. 2　超声波测距 系统共有 4组超声波传感器 ,通过多路转换器 CD4052分时控制 4组超声波轮流检测障碍物信 ·93·第 1期 　　　　　　　　闫 　晶等 : 基于 DSP的智能小车避障系统设计 息. CD4052是数字控制多路模拟转换开关 ,独立的 4通道选择器 ,具有二进制控制输入端 A、B和一个 禁止输入端 INH. A、B的四种二进制组合状态用来 在四路通路中确定由哪一路超声波测量智能小车 与障碍物之间的距离. CD4052内部含有逻辑电路 转换模块和带 IHN 的二进制地址解码器. 设置 CD4052的 X引脚为发射通道 ,一端连接 DSP的 XF控制引脚 ,另一端 4路通道 X0～X3分别连接 每组传感器的发射端. Y为接收通路接至 DSP的 外部中断 INT0引脚 , Y引脚另一端接至传感器接收 端. A、B两个控制端连接到 DSP的 HD0、HD1引脚 控制 4路超声波的选通. DSP的 XF引脚控制多谐 振荡器的启动与停止 ,当输出高电平时 ,触发多谐 振荡器使之产生 40kHZ的超声波 ,当输出为低电 平时停止发送 . 2. 3　D SP对小车的控制 复位时 ,将 HP IENA置低 , HP I被设置成普通 I/O口 ,由 HD4～HD7四个引脚连接小车控制板 , 通过控制板控制小车的运行. 小车的启动与停止可 由接到 DSP的 HD2引脚的按键控制 ,也可由软件 控制. 根据传感器测得的距离信息 ,采用适当的算 法经研究分析后得出小车的运动方向 ,通过改变 I/O口的高低电平控制小车控制板 ,驱动电机改变 小车的运动方向. 智能小车避障运动分为四种情况 ,如图 4所 示. ( a)只有 1、2两组超声波检测到障碍物 ,此时 小车向右运动 ,若 3、4组测到障碍物则向相反方向 运动. ( b)当前方发现障碍物 , 1、4组均未检测的障 碍物时 ,令小车向右运动. ( c)当 4组超声波都测 到障碍物时 ,小车先倒退 ,然后向右运动. ( d)若 1、 4检测到障碍物而 1、3没有检测到障碍物 ,小车并 不改变方向仍按直线行走 [ 5 ] . 图 4　障碍物信息示意图 　　图 4小车的各种不同状态通过四个 I/O口 HD4～HD7的不同种组合状态实现 ,如 0101时小 车前进 , 1010时小车倒退. 3　系统软件设计 　　系统软件设计在集成开发环境 CCS下完成 , 采用汇编语言和 C语言混合编程的方法. 软件设 计主要包括对控制主程序、超声波测距程序、中断 程序和软件算法等程序的设计. 主程序流程图如 图 5所示 ,其初始化过程包括定时器的初始化和 外部中断初始化等. 3. 1　超声波测距过程 每组超声波传感器的工作过程如下 :首先置 XF为高电平 ,触发 NE555产生 40kHZ的脉冲信 图 5　主程序流程图 ·04· 沈 阳 理 工 大 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　2008年 号发射超声波 ,在发射超声波的同时打开定时器 1开始计时. 为保证持续发送超声波 , XF的高电 平应维持 1m s左右 ,当接收到回波后 ,定时器 1停 止计时 ,记录超声波返回时间并将其转换为距离 信息. 系统共有 4路超声波传感器 ,分时按顺序循 环测距 ,发送脉冲的间隔时间由传感器个数和它 所测量的最大距离决定. 声速为 340m / s,小车的 速度是 016m / s,超声波传感器的最大测量距离是 400cm , t = 2d / c = 2315m s,该时间内小车移动的 距离为 1141cm ,可忽略 ,将小车移动距离忽略并 不影响系统避障. 取每组发射的时间间隔为 24m s,该时间由定时器 0控制 ,在 XF端输出占空 比为 1: 23的方波. 在后一路超声波发射之前 ,若 外部中断没有接收到反射波 ,则认为该超声波传 感器方向没有障碍物存在 ,由下一组超声波传感 器进行检测. 超声波在发射过程中会产生余波 ,由 于超声波发射传感器与接收传感器相距较近 ,发 射时会有部分余波未经反射直接绕射到超声波接 收传感器上 ,引起系统误差. 为避免误差 ,采用延 迟接收方法 ,在超声波发射 1m s后再打开外部中 断 INT0. 采用延时接收方法 ,缩小了超声波传感器 的测距范围 ,最短距离变为 17cm. 表 1为超声波 测距数据. 表 1　超声波测距实验数据 测量 次数 测量距 离 /m 实际距 离 /m 误差 / ( % ) 测量距 离 /m 实际距 离 /m 误差 / ( % ) 测量距 离 /m 实际距 离 /m 误差 / ( % ) 测量距 离 /m 实际距 离 /m 误差 / ( % ) 1 0151 0150 2100 0151 0150 2100 0151 0150 2100 0152 0150 4100 2 1102 1100 2100 1100 1100 0100 1101 1100 1100 0199 1100 1100 3 2100 2100 0100 2100 2100 0100 2100 2100 0100 2103 2100 1150 4 2198 3100 0115 3105 3100 1177 3102 3100 0167 3103 3100 1100 3. 2　小车路径规划 经超声波传感器采集的数据在 DSP内完成 后续处理 ,路径规划采用最短切线法. 基本思想 是 :若机器人在向目标的运动过程中遇到障碍物 , 当障碍物所在圆的圆心到机器人所在圆的圆心与 目标终点连线的距离小于或等于转弯半径时 ,就 会发生碰撞 ,通过比较 ,选择最短的一条切线路 径 ,使机器人可以无碰撞的到达终点 [ 6 ] . 4　结论 　　由于 DSP强大的运算能力使之能实现各种 数字信号的算法 ,加之其丰富的硬件资源 ,使其可 完全胜任设计的要求 ,设计直接用一个 DSP芯片 完成数据的采集处理和小车运动控制. 本系统设 计简单 ,软件编程易实现 ,实时性好且成本较低 , 超声波测距虽然存在些误差 ,但并不影响小车避 障. 在室内环境中 ,小车可以顺利绕过障碍物到达 指定地点. 参考文献 : [ 1 ] 徐国保 ,尹怡欣 ,周美娟. 智能移动机器人技术现状及展望 [ J ]. 机器人技术与应用 , 2007, (2) : 29234. [ 2 ] 王鹏飞 ,孙立宁 ,黄博. 地面移动机器人系统的研究现状与 关键技术 [ J ]. 机械设计 , 2006, 23 (7) : 124. [ 3 ] 郑红 ,王鹏 ,董云凤 ,等. DSP应用系统设计实践 [M ]. 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 2006. [ 4 ] 简盈 ,王跃科 ,潘仲明. 超声换能器驱动电路及回波接收电路 的设计 [ J ]. 电子技术应用 , 2004, (11) : 31234. [ 5 ] 张海涛. 基于多超声波传感器的避障系统设计 [ J ]. 山西科 技 , 2006, 1: 20221. [ 6 ] 王燕 ,周浚哲. 智能机器人的一种新路径规划算法. 控制工 程 , 2006, 3: 1712184. ·14·第 1期 　　　　　　　　闫 　晶等 : 基于 DSP的智能小车避障系统设计