基于DSP的水上智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周郭牛，李穎，聶在平

（電子科技大學(xué)四川成都610054）

基于DSP的水上智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周郭牛，李穎，聶在平

（電子科技大學(xué)四川成都610054）

為了滿足對(duì)不宜人工直接從事的復(fù)雜危險(xiǎn)水域環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，提出了一種基于DSP的水上智能機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括DSP核心控制模塊、快速反應(yīng)模塊、圖像采集模塊以及三相電機(jī)控制模塊等，各模塊之間相互獨(dú)立，抗干擾能力突出，且該系統(tǒng)引入了快速反應(yīng)模塊，使機(jī)器人具有靈活性特點(diǎn)，同時(shí)將動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)放置在船體上面，依靠驅(qū)動(dòng)空氣的方式產(chǎn)生前行動(dòng)力，克服了傳統(tǒng)水中測(cè)量器不能通過(guò)低洼、沼澤等復(fù)雜水域的缺陷，與現(xiàn)有水中測(cè)量工具相比該系統(tǒng)具有成本低、智能化程度高、易于維護(hù)和升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)模擬水域測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)有良好的快速反應(yīng)和機(jī)動(dòng)能力，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

環(huán)境監(jiān)測(cè)；復(fù)雜水域；機(jī)器人；DSP

由于近年來(lái)我國(guó)環(huán)境污染日益嚴(yán)重，環(huán)境污染監(jiān)測(cè)與治理迫在眉睫，尤其對(duì)一些復(fù)雜惡劣的特殊自然環(huán)境檢測(cè)和測(cè)量顯得格外重要。目前我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式主要有實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)和移動(dòng)監(jiān)測(cè)3種。

其中實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)需要人工到到現(xiàn)場(chǎng)采樣，監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大；自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)則需要在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)建立監(jiān)測(cè)站，使用配套儀器，成本極高；移動(dòng)監(jiān)測(cè)具有成本低、靈活性好、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

針對(duì)污染比較嚴(yán)重的一些淺灘、沼澤等水域，傳統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法滿足實(shí)際測(cè)量的需要，面對(duì)這些實(shí)際應(yīng)用的需要，本文提出了基于DSP（Digit Signa1 Processor）水上智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且完成了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)；該系統(tǒng)引入了快速反應(yīng)電路控制模塊，能在機(jī)器人行駛過(guò)程中遇到水中雜物時(shí)快速躲避，并且將主動(dòng)力系統(tǒng)電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)放置在機(jī)器人實(shí)體上面，通過(guò)驅(qū)動(dòng)空氣的方式產(chǎn)生前行動(dòng)力，客服了傳統(tǒng)移動(dòng)測(cè)量器不能通過(guò)淺灘、沼澤等低洼水域的缺陷。

1　總體設(shè)計(jì)

基于DSP的水上智能機(jī)器人系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。其中DSP核心控制模塊產(chǎn)生高頻窄脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，當(dāng)機(jī)器人在行駛過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，反射回來(lái)的超聲波信號(hào)被超聲波接收器接收，然后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)占空比的PWM（Pu1se Width Modu1ation）波信號(hào)控制快速反應(yīng)模塊對(duì)障礙物進(jìn)行躲避；在行駛過(guò)程中由三相電機(jī)提供動(dòng)力，DSP控制模塊會(huì)根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電機(jī)的閉環(huán)控制；數(shù)據(jù)采集模塊用于將采集的樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波后送給DSP處理，經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)和已經(jīng)采集的圖像信息通過(guò)傳輸天線發(fā)送給PC控制終端，用戶可以根據(jù)這些接收的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人作業(yè)情況，不僅如此，用戶還可以通過(guò)PC控制終端向機(jī)器人發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)控制作業(yè)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于DSP的水上智能機(jī)器人硬件系統(tǒng)部分是以DSP控制器為控制核心，包括超聲波壁障模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、快速反應(yīng)模塊、圖像傳輸天線模塊、三相電機(jī)控制模塊以及電源管理模塊組成。各模塊之間相互獨(dú)立，且均與DSP控制器相連，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1DSP核心控制模塊設(shè)計(jì)

DSP核心控制器采用美國(guó)德克薩斯公司的TMS320F2812，內(nèi)部擁有32位高性能CPU，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)150 MHz，集成有2個(gè)串口通信模塊，16通道的ADC轉(zhuǎn)換模塊以及56個(gè)通用I/ O引腳，完全滿足了機(jī)器人數(shù)據(jù)處理和控制的需要［1］。DSP核心控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.2數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

圖3　DSP核心控制模塊結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊主要用于傳感器采集CO2濃度，濕度以及水質(zhì)等參數(shù)，它由多個(gè)通道組成，每個(gè)通道分別采集一種數(shù)據(jù)，然后在每個(gè)不同時(shí)刻，由DSP控制器產(chǎn)生通道地址信號(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)選通不同的通道，所有通道都共享后面的低通濾波和增益網(wǎng)絡(luò)，最后將采集的數(shù)據(jù)傳輸給DSP控制器，如圖4所示。儀表放大器采用ADI公司的AD620，它的共模抑制比為100 dB（CMRR=100 dB），輸入噪聲差分輸入阻抗130 MΩ；低通濾波器采用Sa11en_Key結(jié)構(gòu)，_3 dB截至頻率為20 kHz。運(yùn)算放大器采用AD公司的AD8620，其CMRR=95 dB，輸入偏置電流為1 pA，輸入失調(diào)電流為2 pA，由此而引入的直流噪聲為0.37 nV，其影響可以忽略［2］。

圖4　數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3快速反應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

控制模塊由大功率晶體管2SA1302和直流電機(jī)組成，2SA1302最大供電電壓可達(dá)200 V，集電極電流Ic=8 A。當(dāng)DSP控制器發(fā)送不同占空比的PWM波給大功率驅(qū)動(dòng)電路輸入端時(shí)，其輸出端會(huì)得到一個(gè)占空比相同，但幅度和電流都要大得多的脈沖信號(hào)給直流電機(jī)，從而控制電機(jī)不同轉(zhuǎn)速。

2.4超聲波避障模塊設(shè)計(jì)

反超聲波壁障模塊主要有兩部分組成：發(fā)送通道和接收通道。其中發(fā)送通道將DSP芯片產(chǎn)生的高頻矩形脈沖信號(hào)功率放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波；接收通道接收反射回來(lái)的超聲波，然后經(jīng)過(guò)前置放大濾波后，經(jīng)過(guò)檢波器檢波，最后輸出。超聲波壁障電路采用索尼公司集成專用IC CX20106A，通過(guò)設(shè)置外圍電阻和電容的值可以設(shè)置內(nèi)部濾波器帶寬，最后將檢波信號(hào)以低脈沖的方式輸出到DSP的外部中斷引腳。

2.5三相電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

三相電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司的Drv8312，該芯片內(nèi)部集成有三通道逆變器，最大輸出峰值電流可達(dá)13 A，且具有過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)。控制算法采用PID閉環(huán)控制，通過(guò)檢測(cè)線圈電流的方式作為控制三相電機(jī)的反饋量［3］，然后將電流轉(zhuǎn)換為電壓后傳送給DSP控制器，同時(shí)DSP控制器根據(jù)反饋的信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)逆變電路PWM波的占空比，電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　三相電機(jī)控制模塊結(jié)構(gòu)圖

2.6圖像采集與天線傳輸模塊設(shè)計(jì)

圖像采集及天線模塊是通過(guò)CMOS攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù)，并且將采集的數(shù)據(jù)存入FIFO堆棧中，然后通過(guò)DSP控制接口傳輸給DSP處理器處理，DSP處理器將處理后的圖像數(shù)據(jù)［4］通過(guò)WIFI模塊發(fā)送到PC終端。本文論述的CMOS攝像頭采用了OV7670集成模塊，外部擴(kuò)展有AL422集成3 M大小的FIFO（先入先出堆棧），用于暫存攝像頭采集的數(shù)據(jù)；天線電路采用RM04工業(yè)WIFI模塊，波特率可達(dá)230 400 bps，通信距離100～300 m。

3　PC控制終端軟件設(shè)計(jì)

PC控制終端軟件系統(tǒng)是基于C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，編程采用模塊化思想，即將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為視頻接收與顯示模塊、機(jī)器人方向控制模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊、機(jī)器人航速調(diào)節(jié)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和指令發(fā)送顯示面板［5_6］。終端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

PC控制終端軟件系統(tǒng)主要完成用戶與機(jī)器人之間的信息交互，即機(jī)器人將機(jī)載攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集電路采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及機(jī)器人自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組合成事先設(shè)置好幀結(jié)構(gòu)里，經(jīng)過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸給PC終端接收設(shè)備。軟件系統(tǒng)將接收的幀數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)無(wú)誤后分別送到視頻顯示處理模塊和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示曲線模塊中處理。于此同時(shí)，用戶還能根據(jù)接收的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人的狀態(tài)信息，如航速、攝像頭掃描角、快速反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等，軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7　軟件設(shè)計(jì)的流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)將水上智能機(jī)器人放在模擬復(fù)雜水域測(cè)試，得出該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)沼澤地水面氣體和水質(zhì)多點(diǎn)多通道分時(shí)采樣，能在有霧的環(huán)境下精確檢測(cè)20～40 cm外的障礙物，自動(dòng)避障時(shí)間為2 s左右，停船時(shí)間為4 s左右，對(duì)于水表生長(zhǎng)有水草等植物水域，機(jī)器人能順利通過(guò)。機(jī)器人與控制終端可實(shí)現(xiàn)雙向全雙工傳輸通信，一方面機(jī)器人可以在有霧的情況下，將周圍100 cm以內(nèi)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)傳輸給控制終端，控制終端以視頻和曲線的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其狀態(tài)；另一方面控制終端向機(jī)器人發(fā)送控制指令，對(duì)水域環(huán)境進(jìn)行采樣。

5　結(jié)論

文中詳細(xì)論述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各模塊之間相互獨(dú)立，抗干擾能力強(qiáng)，與現(xiàn)有水上移動(dòng)監(jiān)測(cè)器對(duì)比，該系統(tǒng)引入了快速反應(yīng)控制電路，使機(jī)器人能夠在無(wú)人干預(yù)下快速避開(kāi)障礙物，并且將動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)在船體上面，避免了與水直接接觸，克服了現(xiàn)有移動(dòng)監(jiān)測(cè)器不能通過(guò)低洼、沼澤等水域的缺陷。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、人機(jī)界面友好，完成了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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Deslgn of Water lntelllgent robot system based on DSP

ZHOU Guo_niu，LI Ying，NIE Zai_ping
（University of electronic science and technology of China，Chengdu 610054，China）

In order to satisfy the requirement of monitoring environment of comp1ex dangerous waters，this paper present a new method that using water inte11igent robot instead of human.The water inte11igent robot system is main1y composed of DSP core contro1 modu1e，rapid reaction modu1e，image acquisition modu1e and three_phase motor contro1 modu1e.The robot has the advantage of f1exibi1ity because of the rapid reaction modu1e，moreover，the driver system is insta11ed on top of robot that makes it can pass comp1ex dangerous waters easi1y，such as swamp.Comparison with existing measurement too1s in water，the robot has the advantage of 1ow cost，high inte11igence，easy to maintain and upgrade，etc.Through simu1ation experiments，The system has good rapid response and mobi1ity，and satisfy the needs of practica1 app1ications.

environmenta1 monitoringj comp1ex watersj robotjDSP

TN6

A

1674_6236（2016）10_0091_03

2015_06_30稿件編號(hào)：201506253

周郭牛（1989—），男，江西南昌人，碩士研究生。研究方向：電路與系統(tǒng)。