机器人导航定位模块.pdf

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1、机器人导航定位用数据采集平台 摘 要 本平台以 MSP430 十六位超低功耗单片机为核心，通过 RS-485 接口使用 Modbus协议进行数据通讯。其中，由自行研制的中远程超声波测距模块组成八方向超声波环提供环境测距数据；由 MMA7260 加速度传感器提供三轴加速度数据；由三个 EWTS82 单轴微机械陀螺仪提供三轴角速度数据；由 Sen-R65 磁传感器配合专用测量芯片提供电子罗盘数据。关键词 MSP430F149 超声波 加速度 陀螺仪 电子罗盘 一、平台综述 本文旨在设计并实现一个机器人导航定位用数据采集平台，该平台作为一个传感模块，可为机器人 MCU 提供周围环境测距、加速度、角速

2、度和罗盘方位等数据。使自主机器人设计工作专注于信息处理与运动控制，免去了大量传感器选型、制作和调试工作，减轻了人力、时间和资金的开销。平台系统框图如下图所示。其中超声波环由自制八个超声波测距模块组成“米”字型，可用于机器人避障及导航。三轴加速度值可以判断出机器人当前的姿态，是上坡还是下坡，有无发生倾斜等。三轴陀螺仪用于测量三个轴的角速度值，可积分出机器人转弯的角度。在高级应用场合，加速度传感器配合陀螺仪即可实现惯性导航，使机器人在无需外界信息的情况下计算出自身的行进路线。电子罗盘模块可提供无累计误差的方位数据，用于纠正其他传感器的测量结果。电源模块使用模拟数字部分分离，减少数字芯片对模拟传感器

3、的干扰。通讯接口配置了 RS-485 及 RS-232，并使用工业级 Modbus 协议与机器人平台通讯。控制器使用的是 TI 的 16 位超低功耗单片机 MSP430F149。三轴加速度模块八方向超声波环三轴陀螺仪模块电子罗盘模块电源模块通讯接口控制器MSP430 图 1.1 平台系统框图 2 图 1.2 平台实物照片 图 1.3 模块分布情况 二、超声波模块设计 该模块专为机器人导航设计，具有发射距离远、波束角小、控制简单、成本低等特点。1、发射电路 1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:25-May-2009Sheet of File

4、:C:Documents and SettingsHeaven桌面毕设 资料超声 波电路 图超声 波V2.0.ddbDrawn By:TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U7NE555R111KR1212KVCCSel555C25104C20102R1 IN13R2 IN8T1 IN11T2 IN10GND15V+2V-6VCC16R1 OUT12R2 OUT9T1 OUT14T2 OUT7C1+1C1-3C2+4C2-5U9MAX232(Maxim)C6105C18105C19105C17105U10TCT-40T56U8CCD4069UBTI1312U8FCD40

5、69UBTI1110U8ECD4069UBTI98U8DCD4069UBTITriggerSel555R132.4KVCCC5105 图 2.1 超声波模块发射电路 使用 555 定时器电路产生 40KHZ 方波信号，经过 MAX232 芯片将 5Vpp 的方波提升至 35Vpp，有效增大了发射功率。模块对外引出引脚 Trigger，需要发射时，控制器只需向该引脚输入一定时间的高电平（如 200us 代表 8 个 40KHz 方波），经过非门整形驱动后送入 555 RESET 端，此时 3 管脚会立即产生一系列方波，其波形如下：图 2.2 实际超声波探头两端信号 4 2、接收电路 由信号放大、

6、包络检波、可变门限、比较器组成，电路如下：1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:26-May-2009Sheet of File:C:Documents and SettingsHeaven桌面毕设 资料超声 波电路 图ZT毕设.DdbDrawn By:U11TCT-40RC21102C22102C23102R185.1MR195.1MD65819D55819C2410256748U12BLM358R20100KVCCR2120KR1730KEcho12U8ACD4069UBTI34U8BCD4069UBTIR151MR1630KVCCC2

7、6104D45819Sel555R141.5K 图 2.3 超声波模块接收电路 使用 TI 的 CD4069 非门并联 5.1M 电阻，两级级联后增益高、噪声低、效果好。图 2.4 半波包络检波后的波形 包络检波后与可变门限比较。其中可变门限至关重要，合适的门限可以抑制干扰，增大量程。下图中蓝色为放大后波形，黄色为可变门限，当波形超过门限时输出有效信号。图 2.5 模块无反射回波时的波形 3、实物及用法 图 2.6 超声波模块实物照片（尺寸 4*2*1.5cm）模块对外提供五个接口，除了 5V 电源和地外，还有发射引脚 TRI 和接收引脚 ECHO。测距时，控制器向 TRI 输入一 200us

8、 高电平信号，同时开始计时，直至 ECHO 管脚返回第一个高电平时停止计时，此时距离=计时值*声速/2。模块测距极限为 5cm7.5m，5m内测距精度1cm，有效距离会因反射面的角度、面积、硬度而不同（如人体反射较弱，而桌椅墙壁较强），且各模块会因元器件参数不同略有差异。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:26-May-2009Sheet of File:C:Documents and SettingsHeaven桌面毕设 资料超声 波电路 图ZT毕设.DdbDrawn By:TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1

9、U7NE555R111KR1212KVCCSel555C25104C20102R1 IN13R2 IN8T1 IN11T2 IN10GND15V+2V-6VCC16R1 OUT12R2 OUT9T1 OUT14T2 OUT7C1+1C1-3C2+4C2-5U9MAX232(Maxim)C6105C18105C19105C17105U10TCT-40TU11TCT-40RC21102C22102C23102R185.1MR195.1MD65819D55819C2410256748U12BLM358R20100KVCCR2120KR1730KEcho56U8CCD4069UBTI12U8ACD40

10、69UBTI34U8BCD4069UBTI1312U8FCD4069UBTI1110U8ECD4069UBTI98U8DCD4069UBTITriggerSel555C27104C2810412345J2CON5R151MR1630KVCCC26104D45819Sel555TriggerVCCC3110uFEchoR132.4KVCCVCCC30104C5105R141.5K 图 2.7 超声波模块原理图 6 4、模块在平台中的应用 平台使用多个模块组成超声波环，满足 360的环境测距需要，因为单个模块的探测区域近距离约为30，远距离随距离缩小到20左右，形成如左图这样的一个纺锤形。所以拟定

11、超声波模块的布局如右图所示，每个模块负责探测约 45区域。图 2.8 超声波模块探测范围 图 2.9 平台上的超声波模块分布 为了避免模块之间因超声波反射而造成的相互干扰，各模块的测试时间应相互间隔，故平台电路共需 8 根控制线和输入线，设计了如下超声波环控制电路：123456ABCD654321DCBAA11B10C9INH6COM IO3IO 013IO 114IO 215IO 312IO 41IO 55IO 62IO 74VDD16VEE7VSS8U15HCF4051DVCC33ECHO OUTECHO INHS SELCS SELBS SELAR1110KECHO0ECHO1ECHO2

12、ECHO3ECHO4ECHO5ECHO6ECHO7A1B2C3G16G2A4G2B5Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77VCC16GND8U14CD74HC238TRI0TRI1TRI2TRI3TRI4TRI5TRI6TRI7DVCC33R910KS SELAS SELBS SELCTRI ENECHO3TRI3DVCC5DVCC5ECHO2TRI2TRI0ECHO0DVCC5DVCC5ECHO1TRI1DVCC5TRI4ECHO4DVCC5TRI5ECHO5DVCC5TRI6ECHO6DVCC5TRI7ECHO7GND5VCCTRIECHOGNDM4SONAR MGN

13、D5VCCTRIECHOGNDM5SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM1SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM0SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM6SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM2SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM3SONAR MGND5VCCTRIECHOGNDM7SONAR MC25104DVCC33C27104DVCC5C58100uFDVCC33 图 2.10 超声波环控制电路 使用轮询方式，触发 TRI 由单片机定时器产生，触发通道使用 3-8 译码器 CD74HC238。输入 ECHO 使用定时器的硬件捕

14、获，接收通道使用模拟开关 HCF4051 选择。三、加速度模块设计 三轴静态加速度值可提供当前平台当前姿态（上坡、下坡、倾斜），动态加速度值可提供速度信息（启动、刹车、转弯）。从单片机可采样分辨率看，利用 MSP430F149 自带的 12 位 AD 模块，使用 2.5V 基准最高分辨率为 0.6mV，故传感器灵敏度只要大于 600mV/g 即可达到 1mg 分辨率，这里使用 800mv/g 的 MMA7260 三轴加速度传感器，且该芯片成本最低，最为常见。MMA7260 是 Freescale 公司的一款低成本单芯片电容式三轴加速度传感器，内部集成信号调理、单极低通滤波器和温度补偿等功能电路

15、，提供1.5g/2g/4g/6g 四种加速度量程。传感单元容/压转换晶振增益控制和滤波时钟发生器控制逻辑X轴方向温度补偿Y轴方向温度补偿Z轴方向温度补偿X OUTZ OUTY OUT 图 3.1 MMA7620 内部结构 实际电路如下，MMA7260 选择 1.5g 量程 3.3V 供电时的零加速度电压为 1.65V，灵敏度为 800mV/g，即在重力场中芯片输出为 1.650.8V=0.852.45V，则 AD 模块可使用 2.5V基准，为保证电源电压的波动对测量精度没有影响，这里对芯片供电电压使用精密电阻进行 2/3 分压，由单片机同时采样后可还原出 VCC/2，获知准确的零加速度电压。1

16、23456ABCD654321DCBAG_SEL11G_SEL22VDD3VSS4NC5NC6NC7NC8NC9NC10NC11SLEEP12ZOUT13YOUT14XOUT15NC16U2MMA7260QTA XOUTA YOUTA ZOUTR1910KR2110KR2610KC3105C8105C10105A SEL1A SEL2A SLEEPAVCC33R210KR810KR510KAVCC33AVCC33R301K 1%R322K 1%C51042.2V OUTC1104AVCC33 图 3.2 加速度传感器电路图 芯片本身有较大噪声，输出可使用二阶 RC 无源低通滤波，最终模块输出分

17、辨率 1mg，静止时跳动范围5mg，基本满足机器人测量要求。8 四、陀螺仪模块设计 陀螺仪可提供角速度数据，对角速度进行时间的积分可精确得出平台转过的角度值。在高要求应用中，三轴加速度配合三轴陀螺仪可实现捷联惯性导航。本平台选用松下 EWTS82 陀螺仪，模拟量输出，灵敏度高达 25mv/s，接口简单，价格低，非常适用于机器人应用场合。该陀螺仪属于石英音叉振动型微机械陀螺仪，原理是将旋转时音叉震荡产生的地球偏转力（克里奥利力）转换为电信号。图 4.1 EWST82 实物 123456ABCD654321DCBAVCCOUTGNDG2EWTS82AVCC5C52100uFC14104C16104

18、R5368KR4068KC50104VCCVOUTGNDM11EWTS82 MVCCVOUTGNDM10EWTS82 MAVCC5AVCC5G ZOUTG XOUTG YOUTAVCC5R393K 1%R342K 1%C121042V OUT 图 4.2 EWTS82 电路 因为 AD 使用 2.5V 基准，陀螺仪 05V 输出经过两个 68K 电阻分压后接入 AD，同时5V 陀螺仪供电电压经 2K 和 3K 精密电阻分压后接入 AD，避免计算结果受电源电压波动影响。并由 68K 电阻和 104 电容组成 RC 低通滤波，带宽约 25Hz。EWTS82 陀螺仪本身只测量 Z 轴方向的角速度，本

19、平台为组成 3 轴角速度测量系统，制作了扩展板，使陀螺仪能够沿 X、Y 轴水平安放，PCB 图如下所示。图 4.2 EWTS82 小板 PCB 平台最终输出三轴角速度量程80/s，分辨率 1/s，实测噪声很低，小于最小分辨率。五、电子罗盘模块设计 本模块由 SEN-R65 磁感传感器和 PNI11096 磁传感驱动控制器组成。PNI11096 磁传感驱动控制器是 PNI 公司为磁传感器设计的 ASIC 芯片，带有一个 SPI 接口，用于通道选择、计数周期的设定和数据的读取。其原理是通过测量磁感器件正向和反向的方波信号响应时间的差值，得到地磁场所引起的磁传感器电感的变化量，即测得在该方向上地磁场

20、的强度。通过测量两个置于水平面的、相互垂直的地磁场强度，即可计算出地磁场的角度。123456ABCD654321DCBAVSTBY26Rext25SCLK27DHST24MISO28DRDY23MOSI1RESET22SSNOT3COMP21N/C2N/C20AVdd4DVss19AVss5-XDRV18+ZDRV6-XIN17+ZIN7+XIN16-ZIN8+XDRV15-ZDRV9-YDRV14+YDRV10-YIN13+YIN11DVdd12U4PNI 11096AVCC33DVCC33R6043R5943L3PNI-R65 XL4PNI-R65 YR6143R6243SSNOTMOSI

21、MISOSCLKDRDYRSTDVCC33R54100KXYDVCC33C18104AVCC33C20104 图 5.1 电子罗盘电路图 由 X、Y 方向磁场强度进行反正切运算，最终得出模块所指方向的角度值。图 5.2 罗盘方位 实测角度值最大波动 1，并由数据手册可知，精度在 2 度以内，已满足机器人系统要求。但由于地磁场存在磁倾角，在精度要求更高的场合，可通过测量 Z 方向的磁场强度，将磁倾角引起的误差消除。10 六、通讯接口与 MODBUS 协议的设计 由于 RS-485 总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线连接各个节点，节点可以自由的增删。在机器人系统中使用 RS-

22、485 总线可以很方便的根据需要改变传感器或控制器的类型和数量，并且其具有成本低，抗干扰能力强等优点，因此，本平台使用 RS-485 总线作为平台的主要通讯方式，在此基础上还保留了 RS-232 调试接口。123456ABCD654321DCBARO1RE2DE3DI4GND5A6B7VCC8U22MAX3485485RXD485TXD485A485BR281K485A485BR6468KR6568K485DIRR1710KR1410KDVCC33DVCC33DVCC33123J13485D8LEDC46104 图 6.1 RS-485 接口电路图 本平台与机器人控制平台通过 Modbus-R

23、TU 协议实现通讯，波特率采用 57600bps。通讯时，采用主从的结构，本平台作为从机，机器人控制平台作为主机，当本平台收到主机的查询请求后做出响应。起始位 设备地址 功能代码 数据 CRC 校验 结束位 TI-T2-T3-T4 8 个字节 8 个字节 8n 个字节 16 个字节 TI-T2-T3-T4 表 6.1 RTU 报文格式 其中主要使用 03 读取保持寄存器功能。该功能用于读取保持寄存器中连续块的内容，指定了起始寄存器地址和寄存器的数量，起始寄存器地址由 0 开始，代表第一个寄存器。在响应通讯中，每个寄存器数据包含两个字节，前一字节高位数据，后一字节低位数据。主机发送命令：设备地址 命令号03 起始寄存器地址高8位 起始寄存器地址低8位 读取的寄存器数高 8 位 读取的寄存器数低 8 位 CRC 校验的低 8 位 CRC 校验的高 8 位 从机响应：设备地址 命令号 03 返回的字节个数数据 1数据 2.数据 nCRC 校验的低 8位 CRC 校验的高 8 位 工作时，平台自身不断测量各传感器数据，当接收到主机的查询命令时返回最新数据。各传感器数据更新频率为超声波环八方向数据 4Hz，三轴加速度和陀螺仪数据 30Hz，电子罗盘每秒 8Hz。