RFID 導購機器人導航與控制系統的設計研究

　　本文采用了無線射頻識別技術、紅外線距離傳感技術和地磁感應電子羅盤相結合的方法，設計出了一種基于DSP控制的信息融合的自主移動的機器人的導航與控制系統。并且在設計的過程中根據實際情況的需要，對傳統的紅外避障傳感器進行了一些改進，同時，對信息融合狀態下的DSP系統的驅動架購設計，作出了一些研究和論述。給出了小型機器人的運動控制的驅動電路的設計。最后，對這種架構下的自行設計出來的機器人，在超級市場中進行了實際的穩定性測試。

　　1 前言

　　隨著科學技術發展和人民生活水平提高，機器人已經開始進入了人們的生活中。這個時代的來臨，出現了各種新型機器人，如清掃機器人、安防機器人。移動機器人的最重要的部分之一：導航系統，更加引起機器人領域的關注。機器人導航系統對許多機器人應用領域至關重要如：智能倉庫，超市導購，家用機器人，自動化圖書館，智能醫院等。比較普遍的是尋線機器人。作者在讀研期間，多次參加這類機器人比賽和設計。實際設計中發現：因為受到固定線的限制，這種體系并不能實現真正意義上的全方位的自主運行。另外，這種方法受到光的影響很大，不能實際的應用與生活中。線在地表也會影響地面美觀。在經過充分的文獻查找和思考后提出了一種新的機器人導航系統，把RFID，地磁感應，DSP等技術融合。進行了實際的系統硬軟件設計和穩定性測試。

　　2 導航硬件系統

　　我們開發的硬件系統主要由：DSP核心板,RFID板,系統主板，電子羅盤，驅動板構成。

　　2.1  DSP核心板

　　我們自行設計的DSP系統采用TMS320F2812為核心，2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片。核心采用高速的處理機，主要是考慮以后對于系統的二次開發。以及方便算法的移植。指令系統最高可在150MHZ主頻下工作，并帶有18k的0等待周期片上SRAM和128k片上存取時間為36ns FLASH。其片上外設主要包括ADC、雙SCI、SPI、McBSP、eCAN等，并帶有事件管理模塊（EVA、EVB），分別包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定時器。其中的雙SCI可以一路接傳感器一路接PC及時輸出調試信息。16位的PWM可以實現精細的調速。CAP等方便了與傳感器的接口。最大輸入為3V的16路、12位,轉換時間為80ns的ADC可以同時接16路距離傳感器。2812擁有16×16位雙乘法累加器，可以為處理射頻和地磁方向信號提供足夠的處理速度。由于2812核心電壓（1.8V）和起振頻率的特殊性，此核心板采用無源晶振。

　　核心板采用TPS767D318雙路輸出低壓降LDO。提供雙電源，保證了核心電壓1.8V的穩定供給。TPS767D318有高速的瞬態響應，專用于DSP，最大可以提供1A的電流。可以實現對IO和核心的分時復位。有上電復位功能，低壓保護功能，其復位延遲時間為200ms。有過熱保護功能。最大功率計算可以用式1計算。

　　其中TJMAX是最大允許溫度，根據經驗一般TPS767D318為125度左右。TA是環境溫度。RθJA是連接阻抗。對于28管腳通常為27.9°C/W。實際的功耗可由式2計算，其中VI和VO分別為輸入輸出電壓，IO為輸出電流。

　　在外圍電壓濾波方面采用多級坦電容（104和220uF）并聯的方式。這樣的設計可以產生低ESR的效果。根據經驗，在頻域，104能極大的濾除高頻干擾，而220uF能夠最佳程度的降低電壓的低頻干擾。

　　2.2  系統主板與傳感模塊

　　關于電源，系統采用12V鋰電池供電，采用三端正電壓調節器調節電壓。內部集成功率保護。輸出電流可以達到1A。輸入耐壓可以到達30V。提供充電接口，通過開關進行控制，電路板上留有接口,可以對鋰電池進行充電。

　　定位裝置采用射頻技術（RFID）。RFID已經成為一個熱門的技術。最近沃爾瑪通過了一項"要求其前100家供應商在2005年1月之前向其配送中心發送貨盤和包裝箱時使用RFID技術，2006年后逐步在單件商品中使用這項技術"的決議。從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達發射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。最基本的RFID系統由三部分組成：標簽、閱讀器、天線。按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小于1厘米)、近耦合卡(作用距離小于15厘米)、疏耦合卡(作用距離約1米)和遠距離卡(作用距離從1米到10米，甚至更遠)。本系統采用近耦合卡。射頻模塊與2812的SCIA口進行通訊。通過對數據流進行解碼，判斷機器人的位置。

　　接著是紅外避障模塊。一般機器人的避障可以采用紅外反射的方法，這在機器人比賽中比較普遍。GPIO控制紅外線的發射，然后如果遇到障礙物會反射回來，接收管子收到光線后引起電阻變化，檢測其電阻變化就可以判斷是否有障礙物了。但是這種方法容易受到光噪聲的干擾。所以距離比較近，一般只能達到2-3cm。本人在多次比賽中，經過查資料和研究，提出了一種使用標準高頻信號38KHZ的紅外線進行障礙的探測的電路。因為使用高頻信號和高頻運放，有了一定的抗干擾能力，同時探測的距離的最大提高到8cm。首先，通過555發射紅外線。接著，信號通過紅外接收管后經過隔直電容，送入高頻運放LM318N，如圖4。然后，經過50倍的放大。如圖5和圖6。

圖 1 555發射電路

　　圖 2 頻率識別電路

　

圖 3 檢測放大電路

　　LM567是鎖相環電路， 8腳雙列直插封裝。第5、6腳外接的電阻和電容決定了內部壓控振蕩器的中心頻率。1、2腳通常分別通過一個電容器接地，產生輸出濾波網絡和環路單級低通濾波網絡。2腳接的電容決定鎖相環路的捕捉帶寬：電容值越大，環路帶寬越窄。壓控振蕩器的中心頻率和濾波帶寬可由式子3和式子4決定。

　　然后是電子羅盤模塊。CMPS03 電子羅盤是平面角度傳感器。通過檢測當前傳感器與地球磁場直接的角度，電子羅盤可以獲得分辨率為0.1度的絕對旋轉角度。這個電子羅盤模塊是專門為機器人而制造，目的為了給機器人提供合適的方向導航信號。對于任何方向，都可以生成獨一無二的編碼。該傳感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感應芯片，其精度很高。有兩種輸出方式，第一種：I2C方式，由Pin2(SCL)和Pin3(SDA)輸出。Pin7和Pin5必須懸空。Pin6用來進行校正。這些管腳都接到主板上，由于模塊是5V供電，而DSP是3.3V所以還需要用74LVC245進行電平轉換。通過2812的GPIOB通過Pin6對系統進行校正。校正只需要做一次，因為數據會保存在電子羅盤中的PIC單片機的EEPROM。第6腳有一個上拉電阻。進行校正只需要通過GPIO給Pin6一個負相脈沖，而且因為有上拉電阻，所以，此管腳與系統斷開也是可以的。

　　最后是系統的驅動模塊的設計。采用L298芯片。L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路。L298內含的功率輸出器件設計制作在一塊石英基片上，由于制作工藝的同一性，因而具有分立元件組合電路不可比擬的性能參數一致性，工作穩定。15腳是輸出電流反饋引腳，其它與L293相同。在通常使用中這兩個引腳也可以直接接地。它是高電壓的，高電流的雙全橋驅動芯片。可以直接接受標準的TTL邏輯電平。可以驅動各種負載如電機，繼電器等。有兩個使能輸入，通過它控制PWM波的有效性。L298集成有兩個能量輸出塊A，B。另外，我們設計的板子上加有續流二極管。

　　2.3  驅動程序設計

　　通過編寫InitSysCtrl()函數，對看門狗控制寄存器WDCR進行設置，其WDFLAG位是看門狗復位狀態位。如果該位置位表示一個看門狗復位。向WDDIS位寫1會使看門狗模塊無效。寫0對看門狗使能。而對于WDPS位主要是決定看門狗計數器的時鐘速率。由于程序中包含有許多循環，所以對于看門狗的設置要特別注意。然后通過設置PLLCR對系統鎖相環進行設置。這時候要注意，程序需要加入，5000次循環等待鎖相穩定。這一點在2407里并不是必要的，而針對2812系統要注意這點。然后通過HISPCP和LOSPCP來對高速和低速外設來進行匹配。由于在程序中使用了中斷，所以需要對外設中斷擴展PIE進行設置。方向傳感器通過捕獲單元和DSP核心進行連接。一次脈沖的捕獲需要兩次中斷，通過控制和讀取FIFO寄存器來取出方向的信息的脈沖編碼。另外，紅外避障模塊通過74LV245模塊，轉換電平后，和中斷管腳進行連接。所以要對中斷函數進行編程。和RFID傳感器通訊是通過2812的雙線異步串口。SCI模塊支持CPU與采用非返回至0（non-return-to-zero）(NRZ)標準格式的異步外圍設備之間的數字通信。2812的SCI接收器有一個16級深度的FIFO，這樣可以減少空頭的服務。程序通過判斷TxRDY位來判斷有沒有RFID中斷。這樣，可以及時的發現機器人是否到了一個新的位置。然后讀取SCIRXBUF。最后，通過EV單元設置PWM 脈沖，從而控制機器人的走向。

　　3  結論以及實現后的系統

　　最后，在聯華超市附近調試整個系統。經過反復調試，和對程序的修改，實現了對射頻路徑點的導航。

　
圖4 機器人在超市的實際運行