湖面清扫智能机器人的控制新版专业系统设计.doc

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1、湖面清扫智能机器人控制系统设计1、引言机器人是上个世纪中叶快速发展起来高新技术密集机电一体化产品，它作为人类新型生产工具，在减轻劳动强度、提升生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣环境下解放出来等方面，显示出极大优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。伴随科学技术发展，机器人应用范围也日益扩大，遍布工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧抢救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入二十一世纪，大家已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会坚实步伐。机器人按其智能程度可分为通常机器人和智能机器人。通常机器人是指不含有智能，只含有通常编程能力和操作功效机器人；智能机器人是含有感

2、知、思维和动作机器人。所谓感知即指发觉、认识和描述外部环境和本身状态能力，如装配机器人需要在非结构化环境中认识障碍物并实现避障移动，这依靠于智能机器人感觉系统，即多种多样传感器；所谓思维是指机器人本身含有处理问题能力，比如，装配机器人能够依据设计要求为一部复杂机器找到零件装配措施及次序，指挥实施机构，即指挥舞作部分完成这部机器装配；动作是指机器人含有能够完成作业机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂软件、硬件综合体。机器人关键是控制系统。机器人优异性和功效强弱通常全部直接和其控制系统性能相关。机器人控制是一项跨多学科综合性技术，包含自动控制、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程

3、等多个学科内容。多年来，伴随工业和其它服务行业蓬勃发展，大家在重视其经济效益同时却往往忽略了她们对环境污染，人类赖以生存水资源也不例外。水面污染对人类水源组成很大威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染厄运，举目可见多种日常消费品包装物在湖面上漂浮。污染加剧根治水污染。不过，水面污染治理是一项艰苦长久任务，是全人类必需面正确共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油清理。现在，中国研制清理水面漂浮物设备还未见报道，国外研制也不多，而且价格昂贵，实现功效也不尽人意。所以，

4、开发一个性能优良，价格廉价，操作简单，使用安全自主式智能湖面清扫机器人已成为一个必需，而且有很好市场前景。也唤醒了大家环境保护意识，所以为了人类健康发展，大家强烈要求根治水污染。不过，水面污染治理是一项艰苦长久任务，是全人类必需面正确共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油清理。现在，中国研制清理水面漂浮物设备还未见报道，国外研制也不多，而且价格昂贵，实现功效也不尽人意。所以，开发一个性能优良，价格廉价，操作简单，使用安全自主式智能湖面清扫机器人已成为一个必需，而且有很好市场前景。2、 机

5、器人运动控制 对于自由运动机器人来说，其控制器设计能够按是否考虑机器人动力学特性而分为两类。一类是完全不考虑机器人动力学特征，只是根据机器人实际轨迹和期望轨迹间偏差进行负反馈控制。这类方法通常被称为“运动控制（KinematicControl）”，控制器常采取PD或PID控制。运动控制关键优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速度高精度机器人来说，这类方法有两个缺点：一是难于确保受控机器人含有良好动态和静态品质；二是需要较大控制能量。另一类控制器设计方法通常被称为“动态控制（Dynamic Control）”。这类方法是依据机器人动力学模型性质设计出更精细非线性控制率，所以又常称为“以模型为

6、基础控制（Model-base Control）”。用动态控制方法设计控制器可使被控机器人含有良好动态和静态品质，然而因为多种动态控制方案中全部无一例外地需要实时进行一些机器人动力学计算，而机器人又是一个复杂多变量强耦合非线性系统，这就需要较大在线计算量，给实时控制带来困难。3、湖面清洗智能机器人系统概述 湖面清扫智能机器人大致能够分为七个部分：船体，控制系统，动力驱动系统，视觉系统，语音控制系统，垃圾仓，多种传感器。现将各部分功效综述以下：(1)船体：主体由双体船组成，船体中间有网状垃圾仓，仓后有一个电机来控制吸力装置，使两船体中间水流速度相对向后，漂浮垃圾随水流由船前方经由两船体中间进入后

7、方垃圾仓，完成垃圾搜集；(2)控制系统：以可编程DSP控制器为关键组成控制系统，接收视觉系统、语音控制系统、多种传感器等设备输入信号，计算和输出多路控制信号，协调各驱动电机，并对系统状态进行监控；(3)动力驱动系统：湖面清扫智能机器人动力源为蓄电池，由左右电机速度不一样来调整前进方向；(4)视觉系统：依据探测到信息推测出前方物体为垃圾还是阻碍前进障碍物，并在机器人需要返回回收点时判定回收点位置；(5)语音控制系统：机器人能够接收语音命令，控制机器人运行，停止，转弯等；(6)垃圾仓：临时存放垃圾，当垃圾装满时，机器人要把垃圾倾倒在回收点。(7)多种传感器：红外靠近觉传感器在机器人主体前方，能够检

8、测出障碍物存在和其它潜在危险，预防机器人主体和岩石或其它非漂浮物体相撞；光束中止传感器用来判定垃圾仓是否已满；光电编码器用于反馈机器人运动速度。4、硬件总体设计 湖面清扫智能机器人控制系统任务是依据输入信息（传感器信息，视觉信息，语音信息等），控制电机完成对应动作，从而使机器人达成搜集湖面漂浮垃圾目标。为了使清扫智能机器人在设计上愈加合理化、规范化，应该采取专用控制器为关键器件，使得系统含有独立数据处理能力，能够独立控制机器人运动。在综合考虑各方面原因基础上，决定选择专用DSP控制器为关键器件。选择DSP芯片而不是比较廉价一般单片机作为关键器件，关键是考虑到DSP芯片在电机控制领域宽广应用前景

9、。这种芯片是专门为电机控制系统设计，含有丰富片内配套外设模块，如ADC，PWM等，能够大大降低外围电路设计难度，而且DSP芯片数据处理能力是一般单片机无法比拟。以DSP为关键机器人控制系统总体结构图1所表示。 图1 机器人控制系统结构控制系统选择了TI企业TMS320LF2407A DSP，它是专门为数字电机控制应用而优化DSP控制器，该芯片卓越处理能力及电机控制部件集成使之为湖面清扫智能机器人控制系统提供了更优异设计方案。电机则选择了易于调速直流电机。机器人电路系统是为控制系统服务，是控制系统实现平台。依据DSP控制器和机器人功效设计要求，需要对机器人处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、

10、SCI模块和ADC模块电路进行设置。控制器要求含有开放式、集成化、功耗小等性能，所以设计时，尽可能选择功耗小专用功效芯片替换集成电路搭建。5、硬件模块设计 湖面清扫智能机器人控制系统关键包含：处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、串行通信模块和ADC模块。5、1处理器模块5.1.1 TMS320LF2407A介绍美国德州仪器（TI）TMS320LF2407A DSP是为了满足控制应用而设计，它把一个高性能16位DSP内核和片内外设集成在一个芯片上，表现了SOC（System On Chip）技术发展趋势。其处理速度为40兆指令/秒，为很多领域提供了优异数字处理方案。DSP芯片内含有丰富硬件资

11、源，大大降低了用户硬件设计方面工作，使得用户关键精力放在编程上，实现电子设计软件化。该DSP芯片有以下性能和特点：(1)因为采取了高性能静态CMOS制造技术，所以该DSP含有低功耗和高速度特点，低功耗有利于电池供电应用场所，而高速度很适适用于电机实时控制。工作电压3.3V，有四种低消耗工作方法。单指令周期最短为25ns（40MHz），最高运算速度可达40兆指令/秒，体系结构采取四级流水线技术加紧程序实施，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。(2)TMS320LF2407A采取增强哈佛结构，其程序存放器总线和数据存放器总线相互独立，支持并行程序和操作数寻址，所以CPU读/写可在同一周期内

12、进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。(3)因为采取了TMS320C2XX DSP CPU16位定点低功耗内核，确保了和TMS320C24X系列DSP代码兼容性，许可设计者从其它通用TMS320定点DSP上移植程序，降低了软件投资，缩短了开发周期。(4)片内集成了32K字Flash程序存放器、2K字单口RAM、544字双口RAM，所以使该芯片很方便地进行产品开发。可编程密码保护能够充足地维护用户知识产权。(5)提供外扩展64K字程序存放器、64K字数据存放器、64K字I/O端口能力，外部存放器接口。(6)两个专用于电动机控制事件管理器（EV）

13、，每一个全部包含两个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出和软件定时基。通用定时器有四种可选择操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。每个通用定时器全部有一个相关比较寄存器TxCMPR和一个PWM输出引脚TxPWM。每个通用定时器全部能够独立地用于提供PWM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形，所以，四个通用定时器最多可提供4路PWM输出。另外，EV还包含一个能够快速封锁输出外部引脚PDPINTx，其状态可从COMCONx寄存器取得。(7)全比较单元。每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、2和3（EVA）；4、5和6（E

14、VB），每个比较单元各有一个16位比较寄存器CMPRx（对于EVA模块，x=1，2，3；对于EVB模块，x=4，5，6），各有两个CMP/PWM输出引脚，可产生2路PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器（ACTR）控制位来决定，依据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，经过设置不一样工作方法，可选择输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。(8)正交编码脉冲电路。正交编码脉冲（QEP）电路能够对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上正交编码脉冲进行解码和计数，能够直接处理光电编码器2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有改变频率和四分之一周期固定

15、相位偏移，对输入2路正交信号进行鉴相和4倍频。经过检测2路信号相位关系能够判定电机正/反转，并据此对信号进行加/减计数，从而得到目前计数值和计数方向，即电机角位移和转向，电机角速度能够经过脉冲频率测出。(9)捕捉单元。捕捉单元用于捕捉输入引脚上信号跳变，两个事件管理器模块总共有六个捕捉单元。当捕捉发生时，对应中止标志被置位，并向CPU发中止请求。(10)可编程看门狗定时器，确保程序运行安全性。(11)A/D转换模块。包含两个带采样/保持各8路10位A/D转换器，含有可编程自动排序功效，一次可实施最多16个通道自动转换，可工作在8个自动转换双排序器工作方法或一组16个自动转换通道单排序器工作方法

16、。A/D转换模块开启能够有事件管理器模块中事件源开启、外部信号开启、软件立即开启等三种方法。最快A/D转换时间为500ns。(12)控制器局域网（CAN）模块。是现场总线一个，关键用于多种设备监测及控制。(13)串行通信口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口（SCI）和一个同时串行外设通讯口（SPI），用于和上位机、外设及多处理器之间通信。SCI即通用异步收发器（UART）支持RS-232和RS-485工业标准全双工通信模式，用来和上位机通信；SPI可用于同时数据通信，经典应用包含TMS320LF2407A之间组成多机系统和外部I/O扩展，如显示驱动。(14)锁相环电路（PL

17、L）和等候状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者可经过软件编程产生用于用户需要等候周期，以配合外围低速器件使用。(15)数字I/O。TMS320LF2407A有41个通用、双向数字I/O引脚，其中大多数全部是基础功效和通常I/O复用引脚。(16)外部中止。有五个外部中止（功率驱动保护、复位、不可屏蔽中止NMI及两个可屏蔽中止）。(18)很宽工作温度范围，一般级：-40125。TMS320LF2407A为高性能控制提供优异、可靠、高效信号处理和控制平台，它将数字信号处理运算能力和面向高性能控制能力集于一体，能够实现用软件替换模拟器件，可方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、自诊疗和上位

18、机管理和通信等功效，将成为控制系统开发主流处理器，可广泛应用于：工业电机驱动；能量交换器如UPS、通信电源；自动化系统如电力控制、抗锁死制动；磁盘/光盘伺服控制和大容量存放产品；打印机、复印机和其它办公产品；仪器、仪表；机器人控制等。5.1.2 DSP电源供电TIDSP上有5类经典电源引脚：(1)CPU核电源引脚（3.3V）(2)I/O电源引脚（3.3V）(3)PLL电路电源引脚（3.3V）(4)FLASH编程电源引脚（5V）(5)模拟电路电源引脚（3.3V）由此可见，除了FLASH编程电源引脚，TMS320LF2407A其它电源引脚全部采取3.3V电压，减小了芯片功耗。但常见直流电源为5V，

19、所以必需考虑电平转换问题。一个方法是直接采取可调直流电源取得3.3V电压，但这么极难确保电源电压稳定性，影响DSP正常运行。另一个方法是采取专门电源转换芯片，将5V电压降为3.3V。为了得到适合TMS320LF2407A3.3V供电要求，使用了TI推荐TPS7333，输出3.3V/500mA。7333输出后10uF和0.1uF电容不能省略，不然得不到稳定3.3V电压。电源转换电路图2所表示。其中，2mm电源插孔J1标识为内正外负，5V稳压直流电源输入。图2 电源转换电路需要注意是，CPU内核要先于I/O上电，后于I/O掉电，CPU内核和I/O供电尽可能同时，二者时间相差不能太久（通常不能长于1

20、s，不然会影响器件寿命或损坏器件）。5.1.3 JTAG接口电路设计因为TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、引脚排列密集等原因，传统并行仿真方法已不适合于TMS320LF2407A开发应用。TMS320LF2407A含有5线JTAG（边界扫描逻辑）串行仿真接口，用于扫描引脚到引脚连续性，能够极其方便地提供硬件系统在线仿真和测试。JTAG是主流片上调试技术，它已经被IEEE 1149.1标准所采纳。JTAG接口电路原理图3所表示。图3 JTAG接口电路原理图5.1.4时钟电路LF2407A时钟使用嵌入到DSP内核锁相环（PLL）电路，能够从一个较低外部时钟合成

21、片内时钟（最高达40MHz），并可将内部时钟输出到片外。时钟模块电路图4所表示。其中，电容C3和C4必需为无极性电容，在不一样振荡器频率下，C3、C4、R1取值不一样。图4 锁相环时钟模块可见，锁相环时钟起源于晶振或外部时钟源，且需要外部滤波回路（PLLF1和PLLF2之间）来抑制信号抖动和干扰。外部时钟信号经PLL倍频后形成DSP芯片工作时钟源。LF2407A时钟域有两种：(1)CPU时钟。它是大部分CPU内部逻辑电路使用时钟。它是外部时钟信号经PLL倍频而形成，倍频系数由系统控制寄存器SCSR1设定，复位后默认值是0.5倍频。(2)系统时钟。它关键有外设时钟和CPU中止时钟。其中外设时钟关

22、键为片内外设（如ADC、SCI等）服务，能各自设置，起源于CPU时钟输出CLKOUT。而CPU中止时钟是为中止过程服务。用于看门狗（Watch Dog）电路时钟WDCLK也是起源于CLKOUT时钟。5.1.5复位电路LF2407A有两种复位源，外部复位引脚复位和看门狗复位。外部复位引脚RS（133）是一个I/O脚，正常状态经过上拉电阻接电源。当有内部复位事件发生时，该引脚被驱动为低电平输出方法，给系统中其它芯片提供复位信号；当有外部复位事件发生（手动复位、上电复位、欠电压复位等）时，该引脚为输入方法，同时将复位中止向量0000H加载到程序计数器PC中，使程序重新开始实施。所谓看门狗，其实是一个

23、定时器电路。该定时器特点是，只要该电路被使能，它就会自动不停地计数。所以必需在要求时间内将其复位，使之重新从零开始计数，不然定时器满而上溢，就会产生系统复位中止。这么，在正常情况下，程序应在要求时间内，在不一样地方不停地将看门狗计时器复位清零，定时器就不会因上溢而发出复位信号。当程序跑飞或死机时，看门狗定时器得不到复位，就会产生上溢从而复位系统，将系统从混乱状态拉回到复位状态，系统重新开始运行。所以看门狗电路提升了系统可靠性和完整性。TL7705A含有处理上电复位、欠电压检测复位、手动复位功效。本系统用它来实现外部复位信号管理功效，其复位信号输出引脚和DSP复位引脚RS相连，电路图5所表示。在

24、系统运行时，有可能发生干扰和被干扰，严重时甚至会出现死机现象。这时，利用硬件处理问题将显得十分方便。图5 复位电路而看门狗总是被使能，它操作不依靠于CPU，不需要任何初始化。所以为了避免过早发生复位，看门狗设置应在上电时开始。假如不想使用看门功能则可采取两种方法严禁它：一是在器件复位期间给Vcpp引脚提供5V电压，二是设置看门狗控制寄存器WDCR中位WDDIS=1。5.1.6片外存放器LF2407A DSP采取独立数据存放器、程序存放器和I/O空间，即她们能够有相同地址，而它们访问经过控制线来区分。LF2407A DSP有64K16位数据存放器空间，低半部分32K字内部存放器地址空间，即000

25、0h-7FFFh分配关键有以下多个情况：一部分保留用作测试；一部分用户不可访问，假如用户非法访问这些地址会产生NMI不可屏蔽中止；一部分被RAM占用；一部分映射给多个寄存器；其它，如密码或外部存放器。另外，地址范围是8000h-FFFFh高半部分32K字留给外部数据存放器空间。LF2407A能够访问程序存放空间为64K字，依据MP/MC引脚电平决定配置方法。当MP/MC引脚为低电平时，片内Flash存放空间使能，地址范围是0000h-7FFFh，8000h-FFFFh地址留给外部程序存放器，是为微控制器方法。当MP/MC为高电平时，片内Flash被严禁，64K字存放空间全部在外部程序存放器中，

26、即只能从片外存放器中读取数据，是为微处理器方法。TI企业存放器如此设置给用户提供了很大灵活性。当用户在程序调试阶段时，需常常修改程序，通常应配外部RAM作为程序存放器，以节省开发时间（写Flash较慢）并预防片内Flash过分擦写。此时应先设置DSP处于微处理器方法下运行，可经过MP/MC引脚拉高实现，或在仿真环境下经过gel语句实现。当程序不需要修改时，则可将其烧写在Flash中，然后让DSP工作在微控制器方法下。而且，作为机器人控制系统，DSPRAM是不能够满足工作需求，而掩膜ROM需要由用户将程序代码提交TI来完成，所以，需要给TMS320LF2407A外围电路接入一片RAM，作为它外扩

27、数据存放器和程序存放器。可采取图6方法连接。图6 片外存放器连接其中，CY7C1021是高速64K字3.3VRAM芯片。此种连接，是将其64K字低32K字作程序空间，而高32K字作数据空间。上电后，芯片处于微控制器方法下工作，在下载调试程序前设置系统配置寄存器2（SCSR2，地址7019h）MP/MC位使之工作在微处理器方法下。这么做好处是，当程序调试好后要将程序烧写至DSP片内Flash中，使之处于微控制器方法下时，无须改动电路。5.2电机驱动模块5.2.1直流电机控制原理直流电机是最早出现电机，也是最早能实现调速电机。长久以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制统治地位。因为它含有良好线

28、性调速特性、简单控制性能、高质高效平滑运转特征，尽管多年来不停受到其它电机（如交流变频电机、步进电机等）挑战，但到现在为止，就其性能来说仍然无其它电机能比。依据图7直流电机等效电路，能够得到直流电机数学模型。图7 直流电机等效电路电压方程为：式中Ua电枢电压；Ia电枢电流；Ra电枢电路总电阻；Ea感应电动势；La电枢电压总电感。其中感应电动势为： Ea =Ken （3-2）式中Ke感应电动势计算常数每极磁通；n电机转速；将（3-2）代入（3-1）可得：由式（3-3）可得，直流电机转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制励磁控制法和对电枢电压Ua进行控制电枢电压控制法。励磁控制法是在电机电枢电

29、压保持不变时，经过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。这种调速方法调速范围小，在低速时受磁极饱和限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度限制，而且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用极少。电枢电压控制法是在保持励磁磁通不变情况下，经过调整电枢电压来实现调速。在调速时，保持电枢电流不变，即保持电机输出转矩不变，能够得到含有恒转矩特征大调速范围，所以大多数应用场所全部使用电枢电压控制法。5.2.2 PWM调速原理对电机驱动离不开半导体功率器件。在对直流电机电枢电压控制和驱动中，对半导体功率器件使用上又可分为两种方法：线性放大驱动和开关驱动方式。绝大多数直流电机采取开关驱动方法。

30、开关驱动方法是使半导体功率器件工作在开关状态，最常见一个方法就是经过脉宽调制（PWM）来控制电机电枢电压，将数字量调制成满足控制策略多种波形，最终施加到被控对象上，实现调速。调制技术关键就是产生周期不变但脉宽可变信号。周期不变意味着以一样调制频率工作，脉宽可变意味着能够得到不一样波形。图8是利用开关管对直流电机进行PWM调速控制原理图。当开关管MOSFET栅极输入高电平时，开关管道通，直流电机电枢绕组两端电压Us。t1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电机电枢两端电压为零。t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管动作反复前面过程。这么，对应着输入电平高低，直流电机电枢绕组两端电压平均值

31、Ua为：式中，为占空比。占空比表示了在一个周期T里，开关管道通时间长短和周期比值。改变范围为01。由式（3-4）可知，当电源电压Us不变情况下，电枢端电压平均值Ua取决于占空比大小，改变值就能够改变端电压平均值，从而达成调速目标，这就是PWM调速原理。图8 PWM调速控制原理图5.3 速度检测模块正确电机控制是机器人完成特定任务基础。湖面清扫智能机器人共需要3个电机，其中，一个电机控制机器人垃圾搜集装置，另外两个电机控制机器人前进速度。要想确保机器人良好运动性能，一定要对控制速度左右电机进行协调，所以电机速度检测十分关键。TMS320LF2407A内置正交编码脉冲电路（QEP），可自动识别由外

32、部引脚上输入正交编码脉冲方向（正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以取得旋转机械位置、速度等信息），统计脉冲个数，这为机器人运动控制提供了方便。正交编码脉冲电路输入引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（对于EVA模块）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（对于EVB模块）和捕捉单元1，2和单元4，5输入引脚复用，当使能了正交编码脉冲电路时，对应引脚上捕捉功效将被严禁，正交编码脉冲电路会对引脚上正交编码脉冲进行解码和计数，正交编码脉冲是两个频率改变且正交（即相位相差90度）脉冲，正交编码脉冲电路方向检测逻辑测定哪个脉冲序列相位领先，然后产生一个方向信号作为选定定时器方向输入。具体图9所

33、表示。假如CAP1/QEP1输入为相位领先脉冲序列，则选定定时器递增计数，假如CAP2/QEP2输入为相位领先脉冲序列，则选定定时器递减计数。两个正交编码输入脉冲两个沿均被计数，所以送到定时器时钟频率是每个输入序列频率四倍。这个产生时钟和选定定时器时钟输入端相连。这么，将正交编码脉冲电路和外部编码器相连，就能够方便地取得电机旋转速度大小和方向信息，为测试和控制提供了有利条件。 图9 正交编码脉冲解码和计数方向正交编码脉冲电路具体使用步骤以下：(1)选择时基。正交编码脉冲电路时基可由通用定时器2，4提供，通用定时器必需设置成定向增/减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。(2)将光电编码器两

34、路脉冲信号接至输入引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4上。接着它就产生方向信号作为通用定时器2，4计数方向输入。(3)这么一来，通用定时控制寄存器GPTCONA/BTxSTAT位反应了正交光电编码器脉冲信号方向，计数寄存器T2CNT和T4CNT值反应了正交光电编码器对应位置和速度。用正交编码脉冲电路作为时钟输入通用定时器周期、下溢、上溢和比较中止标志将产生于各自匹配发生时。假如中止没有被屏蔽，则将产生外设中止请求信号。5.4串行通信模块TMS320LF2407A DSP片内集成有异步串行通信接口（SCI）模块，支持DSP和其它使用标准格式异步外设之

35、间串行通信。本文利用语音模块电路板上串行口和DSP进行通信，实现机器人语音控制功效。SCI模块关键特征以下：(1)两个I/O引脚：SCIRXD：SCI数据接收引脚SCITXD：SCI数据发送引脚不使用SCI时，这两个引脚可作通用I/O引脚。(2)可对一个16位波特率选择器进行编程，从而取得64K种不一样波特率，在40MHzCPU时钟下，波特率范围为76b/s2500kb/s。(3)数据位长度为1位8位，可编程设定。(4)发送和接收全部含有缓冲功效。(5)发送和接收全部可工作在查询或中止方法下，含有下述标志位：发送器：TXRDY，发送准备好，即发送缓冲器准备接收另一来自本机CPU送出字符；TX

36、EMPTY，发送移位寄存器空。接收器：RXRDY，接收缓冲器准备接收另一字符；BRKDT，间接错误；RX ERROR，接收错误标志。(6)发送器和接收器全部含有独立中止使能位，上述五个标志中，除TXEMPTY外全部能产生中止申请。(7)接收错误中止，可由多个错误条件产生。发送器及其相关寄存器关键完成将并行数据串行发出功效。接收器及其相关寄存器关键作用是将接收到串行数据转换成字节形式。发送器和接收器能够独立或同时工作，清扫机器人控制系统关键使用SCI接收功效。SCI接收器内部时钟频率是异步通信时钟频率8倍，即异步通信每一位。全部占8个SCI内部周期，图10所表示。图10 异步通信数据格式SCI内

37、部时钟连续地对SCIRXD数据引脚进行检测，当连续四个内部周期检测到低电平时，SCI即认为数据线上出现了起始位。在以后再过四个周期就认为是数据位开始。在每个预期数据位中第4、5、6个脉冲下降沿采样数据线，并按多数表决标准来确定该位状态。即三次采样中假如有两次采到高（低）电平，即认为此数据位为1（0）。这么比一次采样更合理，有利于抗干扰。图11是TMS320LF2407A串行通信接口电路，该电路采取了符合RS-232标准驱动芯片MAX232，进行串行通信。图11 TMS320LF2407A和MAX232接口电路5.5 ADC模块LF2407A DSP含有一个16位数模转换（ADC）模块，能达成5

38、00ns以内转换速度，能够直接用于电机或运动控制场所。机器人电池电压经过ADC转换成数字信号，当电池电压低于警戒值时，发出电池能量不足警告信息。ADC模块含有自动排序功效，一次转换操作能够处理多达16个“自动转换”每个转换操作可经过编程来选择16个输入通道中一个。两个独立8状态排序器（SEQ1和SEQ2），能够独立工作在双排序器模式，或级联成16状态排序模式（SEQ）。本系统采取是双排序模式，扩展通道0。DSP能接收A/D信号在03.3V，本系统直接使用系统3.3V。在输入DSP之前，为了维持信号源输入阻抗匹配，在模拟量和DSP输入管脚之间加了一个跟随器来增大阻抗。跟随器采取芯片LM358，图

39、12所表示。AD_SIG0表示是电池实际电压值，ADCIN0为DSP对应引脚。图12 A/D调理电路5.6 传感器介绍无感知能力机器人操作程序是预先制订，并根据预定程序反复无误地完成确定任务，它们缺乏适应性。而很多机器人应用需要感知，依据感知信息改善计算机控制。(1)红外靠近觉传感器红外靠近觉传感器是移动机器人最常见避障传感器之一。这种传感器能够检测出障碍物存在和其它潜在危险。红外靠近觉传感器由发送器和接收器两部分组成，每部分全部有一定有限视场。传感器只能检测到那些在发送器视场和接收器视场交叉区域内障碍物，所以，单个红外靠近觉传感器不可避免地存在多个盲区。采取多个红外发送器和接收器能够降低盲区

40、数量。因为发送器和接收器价格很低，所以采取多套红外靠近觉传感器是完全可行。考虑到湖面机器人障碍物比较单一，本系统采取两套红外靠近觉传感器。(2)光束中止传感器光电式传感器非接触地探测物体，广泛用于很多自动化领域。光束中止传感器发射器和接收器分别安装在不一样盒子中，当光束被中止时，输出开关信号。因为垃圾漂浮在水面，所以机器人垃圾仓口上半部露出水面，下半部则在水面之下方便搜集垃圾。光束中止传感器被安放在垃圾仓靠近底部位置，因为垃圾上浮，所以当垃圾仓没有满时，垃圾不会触动光束中止传感器；当垃圾逐步增多，垃圾仓中部分垃圾将被新进垃圾挤到垃圾仓下部以致触动光束中止传感器，从而发送垃圾仓满信号。机器人控制

41、系统电池电压测量没有单独使用传感器，而是经过DSPADC模块实现。机器人电池电压经过ADC转换成数字信号，当电池电压低于警戒值时，发出电池能量不足信息。5.7硬件设计中需要注意问题(1)DSP系统未用引脚处理DSP引脚较多，TMS320LF2407A共有144个引脚，设计系统时未必全部能用上，应正确处理未用引脚以免引入干扰或带来无须要麻烦。设计时应正确处理未用输入引脚；一些输入引脚，即使已被其它电路驱动，但有时可能会处于高阻态，这些引脚也应小心处理；对于关键控制引脚应将它们配置成无效状态；对于未用1/O引脚，或将其看成输入引脚处理，或配置为输出让其悬空不接。(2)设计中其它应注意问题必需考虑时

42、序关系，保留一定余量；关键信号应加测试点，可使用LED发光管对输出电平进行测试，使用按键来模拟输入电平信号进行测试，硬件连接图13所表示。图13 LED及按键电路6、软件模块设计湖面清扫智能机器人控制系统软件采取模块化设计方法，模块化设计能够增强程序可读性，使程序易于维护、含有良好可扩展性。控制系统软件关键包括初始化模块、速度调整模块和信息接收模块，这三个模块经过中止联络在一起，图14所表示。图14 控制系统软件总体结构6、1 初始化模块设计这个模块完成对LF2407A初始化配置、定义变量和其它部分必需初始化工作。初始化步骤图15所表示。 图15 初始化程序步骤图6、2速度调整模块速度调整模块

43、关键经过速度测量和计算，得出控制量输出。其中，又划分为三个部分：速度检测、控制算法，和电机驱动。速度检测模块利用编码器、LF2407A正交编码单元及通用定时器对控制机器人运动左右电机速度进行检测；控制算法模块利用数字PID控制算法，依据机器人控制命令及机器人目前电机速度计算控制量，并给出PID控制算法参数整定方法；电机驱动模块负责将控制量转化为PWM信号从而对机器人左右电机进行控制。6. 3信息接收模块经过视觉系统、语音系统、传感器接收外界信息，从而判定何时搜集垃圾，何时避障和何时返回。初始化结束后，将进入循环等候中止状态。一旦有已开放中止到来，将转入中止服务程序，中止服务程序结束后再返回循环

44、等候中止状态。除了语音控制命令是在SCI接收中止中接收和实施，其它机器人控制过程均在定时器中止中完成。另外，为了机器人成功实现预定任务，需要对这个较大任务进行分析，并划分为部分较小问题来逐一处理。对问题有效分解需要做到以下几点：(1)首先需要正确地确定出所要处理问题。(2)简单陈说机器人想要完成设定任务所必需含有最少功效集合。(3)利用现有技术寻求实现机器人每项功效方法。(4)深入了解系统在工作过程中为完成对应任务所需要提出问题。(5)在问题和传感器之间建立对应映射关系。(6)为选定方法编写代码。7 结束语机器人是20世纪人类伟大发明之一。它作为人类新型生产工具，在减轻劳动强度、提升生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣环境下解放出来等方面，显示出极大优越性。多年来，伴随工业和其它服务行业蓬勃发展，大家在重视其经济效益同时也提升了对环境污染治理重视。水面污染治理是一项艰苦长久任务，用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油清理。现在，中国研制清理水面漂浮物设备还未见报道，国外研制也不多，而且价格昂贵，实现功效也不尽人意。所以，开发一个性能优良，价格廉价，操作简单，使用安全智能湖面清扫机器人已成为一种必需，而且有很好市场前景。