RFID导购机器人导航与控制系统的设计研究

      本文采用了无线射频识别技术、红外线距离传感技术和地磁感应电子罗盘相结合的方法，设计出了一种基于DSP控制的信息融合的自主移动的机器人的导航与控制系统。
      并且在设计的过程中根据实际情况的需要，对传统的红外避障传感器进行了一些改进，同时，对信息融合状态下的DSP系统的驱动架购设计，作出了一些研究和论述。给出了小型机器人的运动控制的驱动电路的设计。最后，对这种架构下的自行设计出来的机器人，在超级市场中进行了实际的稳定性测试。
 

     1前言

      随着科学技术发展和人民生活水平提高，机器人已经开始进入了人们的生活中。这个时代的来临，出现了各种新型机器人，如清扫机器人、安防机器人。移动机器人的最重要的部分之一：导航系统，更加引起机器人领域的关注。机器人导航系统对许多机器人应用领域至关重要如：智能仓库，超市导购，家用机器人，自动化图书馆，智能医院等。比较普遍的是寻线机器人。作者在读研期间，多次参加这类机器人比赛和设计。实际设计中发现：因为受到固定线的限制，这种体系并不能实现真正意义上的全方位的自主运行。另外，这种方法受到光的影响很大，不能实际的应用与生活中。线在地表也会影响地面美观。在经过充分的文献查找和思考后提出了一种新的机器人导航系统，把RFID，地磁感应，DSP等技术融合。进行了实际的系统硬软件设计和稳定性测试。

      2 导航硬件系统

      我们开发的硬件系统主要由：DSP核心板,RFID板,系统主板，电子罗盘，驱动板构成。

      2.1  DSP核心板

      我们自行设计的DSP系统采用TMS320F2812为核心，2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。核心采用高速的处理机，主要是考虑以后对于系统的二次开发。以及方便算法的移植。指令系统最高可在150MHZ主频下工作，并带有18k的0等待周期片上SRAM和128k片上存取时间为36ns FLASH。其片上外设主要包括ADC、双SCI、SPI、McBSP、eCAN等，并带有事件管理模块（EVA、EVB），分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器。其中的双SCI可以一路接传感器一路接PC及时输出调试信息。16位的PWM可以实现精细的调速。CAP等方便了与传感器的接口。最大输入为3V的16路、12位,转换时间为80ns的ADC可以同时接16路距离传感器。2812拥有16×16位双乘法累加器，可以为处理射频和地磁方向信号提供足够的处理速度。由于2812核心电压（1.8V）和起振频率的特殊性，此核心板采用无源晶振。

      核心板采用TPS767D318双路输出低压降LDO。提供双电源，保证了核心电压1.8V的稳定供给。TPS767D318有高速的瞬态响应，专用于DSP，最大可以提供1A的电流。可以实现对IO和核心的分时复位。有上电复位功能，低压保护功能，其复位延迟时间为200ms。有过热保护功能。最大功率计算可以用式1计算。

                   (1)

      其中TJMAX是最大允许温度，根据经验一般TPS767D318为125度左右。TA是环境温度。     RθJA是连接阻抗。对于28管脚通常为27.9°C/W。实际的功耗可由式2计算，其中VI和VO分别为输入输出电压，IO为输出电流。

                        (2)

      在外围电压滤波方面采用多级坦电容（104和220uF）并联的方式。这样的设计可以产生低ESR的效果。根据经验，在频域，104能极大的滤除高频干扰，而220uF能够最佳程度的降低电压的低频干扰。

      2.2  系统主板与传感模块

      关于电源，系统采用12V锂电池供电，采用三端正电压调节器调节电压。内部集成功率保护。输出电流可以达到1A。输入耐压可以到达30V。提供充电接口，通过开关进行控制，电路板上留有接口,可以对锂电池进行充电。

      定位装置采用射频技术（RFID）。RFID已经成为一个热门的技术。最近沃尔玛通过了一项"要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用RFID技术，2006年后逐步在单件商品中使用这项技术"的决议。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。最基本的RFID系统由三部分组成：标签、阅读器、天线。按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1厘米)、近耦合卡(作用距离小于15厘米)、疏耦合卡(作用距离约1米)和远距离卡(作用距离从1米到10米，甚至更远)。本系统采用近耦合卡。射频模块与2812的SCIA口进行通讯。通过对数据流进行解码，判断机器人的位置。

     接着是红外避障模块。一般机器人的避障可以采用红外反射的方法，这在机器人比赛中比较普遍。GPIO控制红外线的发射，然后如果遇到障碍物会反射回来，接收管子收到光线后引起电阻变化，检测其电阻变化就可以判断是否有障碍物了。但是这种方法容易受到光噪声的干扰。所以距离比较近，一般只能达到2-3cm。本人在多次比赛中，经过查资料和研究，提出了一种使用标准高频信号38KHZ的红外线进行障碍的探测的电路。因为使用高频信号和高频运放，有了一定的抗干扰能力，同时探测的距离的最大提高到8cm。首先，通过555发射红外线。接着，信号通过红外接收管后经过隔直电容，送入高频运放LM318N，如图4。然后，经过50倍的放大。如图5和图6。

图 1 555发射电路

图 2 频率识别电路

图 3 检测放大电路

      LM567是锁相环电路， 8脚双列直插封装。第5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率。1、2脚通常分别通过一个电容器接地，产生输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚接的电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。压控振荡器的中心频率和滤波带宽可由式子3和式子4决定。

                            (3)

                             (4)   (其中Vi为输入电压)

      然后是电子罗盘模块。CMPS03 电子罗盘是平面角度传感器。通过检测当前传感器与地球磁场直接的角度，电子罗盘可以获得分辨率为0.1度的绝对旋转角度。这个电子罗盘模块是专门为机器人而制造，目的为了给机器人提供合适的方向导航信号。对于任何方向，都可以生成独一无二的编码。该传感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感应芯片，其精度很高。有两种输出方式，第一种：I2C方式，由Pin2(SCL)和Pin3(SDA)输出。Pin7和Pin5必须悬空。Pin6用来进行校正。这些管脚都接到主板上，由于模块是5V供电，而DSP是3.3V所以还需要用74LVC245进行电平转换。通过2812的GPIOB通过Pin6对系统进行校正。校正只需要做一次，因为数据会保存在电子罗盘中的PIC单片机的EEPROM。第6脚有一个上拉电阻。进行校正只需要通过GPIO给Pin6一个负相脉冲，而且因为有上拉电阻，所以，此管脚与系统断开也是可以的。

      最后是系统的驱动模块的设计。采用L298芯片。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。它是高电压的，高电流的双全桥驱动芯片。可以直接接受标准的TTL逻辑电平。可以驱动各种负载如电机，继电器等。有两个使能输入，通过它控制PWM波的有效性。L298集成有两个能量输出块A，B。另外，我们设计的板子上加有续流二极管。

      2.3  驱动程序设计

      通过编写InitSysCtrl()函数，对看门狗控制寄存器WDCR进行设置，其WDFLAG位是看门狗复位状态位。如果该位置位表示一个看门狗复位。向WDDIS位写1会使看门狗模块无效。写0对看门狗使能。而对于WDPS位主要是决定看门狗计数器的时钟速率。由于程序中包含有许多循环，所以对于看门狗的设置要特别注意。然后通过设置PLLCR对系统锁相环进行设置。这时候要注意，程序需要加入，5000次循环等待锁相稳定。这一点在2407里并不是必要的，而针对2812系统要注意这点。然后通过HISPCP和LOSPCP来对高速和低速外设来进行匹配。由于在程序中使用了中断，所以需要对外设中断扩展PIE进行设置。方向传感器通过捕获单元和DSP核心进行连接。一次脉冲的捕获需要两次中断，通过控制和读取FIFO寄存器来取出方向的信息的脉冲编码。另外，红外避障模块通过74LV245模块，转换电平后，和中断管脚进行连接。所以要对中断函数进行编程。和RFID传感器通讯是通过2812的双线异步串口。SCI模块支持CPU与采用非返回至0（non-return-to-zero）(NRZ)标准格式的异步外围设备之间的数字通信。2812的SCI接收器有一个16级深度的FIFO，这样可以减少空头的服务。程序通过判断TxRDY位来判断有没有RFID中断。这样，可以及时的发现机器人是否到了一个新的位置。然后读取SCIRXBUF。最后，通过EV单元设置PWM 脉冲，从而控制机器人的走向。

      3  结论以及实现后的系统

      最后，在联华超市附近调试整个系统。经过反复调试，和对程序的修改，实现了对射频路径点的导航。最终系统运行情况如图6所示：

图4 机器人在超市的实际运行