专利名称：基于蓝牙技术移动机器人控制装置的制作方法
技术领域：
本发明属于一种无线远程多电机控制装置，特别是一种移动机器人运动平台的电机控制装置。
背景技术：
移动机器人是一个由极富挑战性的高技术密集型复杂大系统，融机械、机器人学、机电一体化、微处理器、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调以及无线通信等理论和技术于一体，一般可分为四个部分机器人子系统、通信子系统、视觉子系统和决策子系统。通过视觉子系统采集场地信息并将信息送至决策主机，决策系统根据场地的不同情形做出决策，决策信息由通信子系统传送给机器人子系统，机器人子系统根据决策主机所给定的各电机速度运动。机器人子系统作为系统的执行机构，整个系统控制性能的优劣都将通过它得以体现，是系统一个很重要的组成部分。
机器人子系统驱动电机的选择，目前国内外较普遍的采用直流电机，直流伺服电机控制简单，启动转矩大，效率高等特点，但存在需定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大的缺点。作为交流伺服电机的无刷直流电机，虽然驱动电路复杂，价格高，但具有结构简单，重量轻的显著特点，能满足机器人快速移动及瞬时大加速度的要求。
机器人子系统CPU的选型直接影响机器人的运动性能，其选型至关重要。目前国内外移动机器人选用的CPU主要有80C196KC、Intel80296、MSP430F149、TMS320LF2407A、TMS320F2812、PC104总线嵌入式板等。CPU档次从低至高均有，80C196KC、Intel80296、MSP430F149均为MCU系列控制器，价格较便宜，但是其运算速度较慢，采样、存储等需要扩展；TMS320LF2407A、TMS320F2812为两款TI公司的DSP芯片，具有较快的处理速度，其带有PWM单元、看门狗监视定时器、Flash、AD口、捕获口、串行通信等等功能单元，非常适用于电机控制，不过价格相对较高；PC104总线嵌入式板为笔记本元件，具有X86处理器特性，运行速度非常快，可以弥补缺少硬件PWM单元等带来的困扰，但是其价格不菲。因此选用DSP芯片作为机器人CPU比较合适，但是TMS320LF2407A如果要用来驱动四个无刷直流电机，需24路PWM信号，而该芯片本身资源不够，目前普遍采用双TMS320LF2407A控制，这样无形增加了成本；采用TMS320F2812芯片，虽然加上可混用的PWM口，够所需数，但是其他将减少其他功能所要用的资源，仍需扩展芯片，且其价格较高。
机器人子系统与决策主机的通信也是相当重要的，任何信息的传送错误或干扰将影响机器人的控制效果。目前采用的实现方式主要为红外信号和无线电信号的方式。构筑无线通讯的物理平台可以采用红外收发器件，或者无线收发器件，也可以采用PCI(或者USB)的红外网卡或者无线网卡，以及蓝牙模块等多种硬件系统。红外通信的方法是将数字码调制在820-950nm的光波段。由于红外信号不能穿透如墙壁之类的非透明物体，并且一般的无线电噪声不会干扰光信号，所以安全性强是红外通信的最大优点。但是，由于自身覆盖区域的限制，红外信号不像无线电信号那样适用于于移动连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于蓝牙技术移动机器人控制装置，使其快速响应所给定的信号，并尽量提高无线通信的精确度，减少核心控制芯片外围电路，便于控制器功能的扩展。
为实现这样的目的，本发明采用DSP+CPLD的控制方式，以DSP(TMS320LF2407A)作为机器人子系统的电机控制主芯片，同时为减少核心控制器的负担以及弥补其缺失，使用一块CPLD(EPM7128SLC84)对电机反馈脉冲信号进行鉴相、信号整合以及对DSP所产生的四路PWM信号进行扩展，使核心控制器主要用于高级控制算法的实现。
本发明的控制装置主要包括电源单元、通信单元、电机驱动单元、核心控制单元、CPLD单元以及姿态检测单元六个部分。其中电源单元用于提供电源；通信单元用于接收无线传输的信号，并把接收到的信息传送到核心控制单元；电机驱动单元是控制电机电压给定的开关，其占空比由核心控制器决定；核心控制单元根据接收到的决策子系统的速度给定和当前机器人各电机的速度决定当前的速度给定，生成占空比；CPLD从DSP获得PWM信号进行扩展，并处理电机的相位鉴定，完成换相控制，将电机反馈的脉冲信号整合后送给核心控制单元，用于检测速度；姿态检测单元测定机器人的加速度、角速度供核心控制单元使用，以实现对机器人更为精确的控制。
其中电源单元共分成三个部分即12V供电、5V供电、3.3V供电，12V用于给各个电机供电，5V则给CPLD以及陀螺仪供电，3.3V主要给DSP、蓝牙通信模块及加速度芯片提供电源；本发明所述DSP具体为TI公司专为电机控制设计的TMS320LF2407A，该芯片具有快速的运算处理能力和丰富的用于电机控制的外设，其采用哈佛结构，三级流水线操作，指令周期最短为25ns，其运算速度计算机无法比拟，即使在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，使控制效果接近连续控制的效果，保证机器人实时地完成复杂的控制算法。TMS320LF2407A片内集成32K字的FlashROM，提供64K字的程序存储器、数据存储器及I/O口能力，16通道的10位A/D转换器，16个脉宽调制(PWM)输出通道，串行接口SPI和SCI模块。
本发明所述CPLD为EPM7128SLC84，是Altera公司生产的MAX7000系列器件，它是一种高性能的CMOSEEPROM器件。EPM7128SLC84逻辑密度为2500门，有128个宏单元，有足够的资源来实现上述功能。引脚到引脚的逻辑延迟为0.5ns，计数器工作频率达到147.1MHz，能够实现与TMS320LF2407A的无缝接口，免去CPLD实现等待状态发生电路的麻烦，缩短了机器人子系统的控制周期，并且能很好的完成PWM信号的扩展和对电机反馈脉冲的处理。
本发明所述通信单元使用的蓝牙为重庆金瓯公司生产的蓝牙模块(BC219)，其主要有如下几个优点兼容蓝牙1.1规范；Class 2功率级别；内置天线；有效距离10M，加中继可达更远距离；工作温度-25℃～85℃；标准UART接口；支持多种波特率(如1.2k、2.4、4.8、9.6k、19.2k、38.4k、57.6k、115.2k等)，最大可达到1.384Mbps；自动节能模式；支持低功耗工作模式/高速工作模式；安全认证、数据加密。
本发明所述加速度传感器为美国AD公司的模拟双通道器件ADXL311，此芯片输出是以1.15V为基准的模拟信号，每g的加速度对应大约0.3V电压(g为重力加速度值)。芯片输出信号AD_Xout和AD_Yout，分别表示为两个成90度方向加速度分量，经AD模块采样后进DSP处理。
本发明所述角速度传感器是CRS-03-11型微硅陀螺仪，它的输出信号是以2.5V为偏置的直流电压，角速度每1deg/sec变化时输出3.49mV直流电压变化量。
本发明的优点是采用本发明制备的移动机器人子系统，在复杂的控制中，采样周期仍然可以取得很小，控制效果接近连续控制，运行过程中响应速度快、超调量小、稳定性高，结合多路传感器信号，使控制效果进一步加强，并且不需要扩展程序存储器，核心单元外围电路简单，便于控制器功能的扩展。
图1为本发明机器人的结构图。
图2为本发明机器人子系统控制装置方框图。
图3为电源单元电路原理图。其中图3(a)通过7805产生5V电源，图3(b)通过TPS73HD301形成3.3V电源，图3(c)通过7812生成12V电源。
图4为通信单元蓝牙模块电路原理图。
图5为核心控制单元DSP部分电路原理图。
图6为CPLD部分电路原理图。按照Protel99绘制原理图的习惯，相同标识表示两者的连接。
图7为电机控制单元电路原理图。图中给出了某一个无刷直流电机的控制原理图，图7(a)预驱动电路，采用IR2132芯片，图7(b)为全桥逆变器电路，采用IRFZ44N作为开关管。
图8为姿态检测单元电路原理图。图中图8(a)为陀螺仪部分电路，图8(b)为加速度传感器部分电路。
具体实施例方式
机器人采用四轮全方位驱动，采用板柱结构，共分为三层控制板、驱动板、车身底盘。图1中的1是核心控制单元DSP芯片；2是电源单元，包括5V、3.3V；3是姿态传感器单元，包括陀螺仪和加速度芯片；4是机器人控制板；5为蓝牙模块；6为CPLD；7为控制板与驱动板数据交互桥；8为驱动板；9为功率开关管MOSFET，共4组24个；10是支柱；11是转接板；12是机器人底盘；13为全方位车轮，共4个；14为8.4V锂电池共3块；15为电机支架，与底盘一体；16为无刷直流电机并带有减速箱，共4只。
本发明主要包括六大块电源单元、通信单元、电机驱动单元、核心控制单元、CPLD单元以及姿态检测单元。其具体分布如图1所示，控制过程如图2所示。
电源单元为机器人提供电源，主要有三种电压(5V、12V、3.3V)需求，分别采用的电源芯片是LM7805、LM7812、TPS73HD301；通信单元用于接收无线传输的信号，并把接收到的信号送往核心控制单元，主要芯片为重庆金瓯公司的蓝牙模块(BC219)；电机驱动单元是控制电机电压给定的开关，采用IR2132作为与驱动芯片，IRFZ44N作为开关管，其占空比由核心控制器决定；核心控制单元主要芯片是TMS320LF2407A，它根据决策系统的速度给定和目前机器人的各车轮速度，决定当前的速度给定，使机器人系统快速达到决策系统给定的速度；CPLD从DSP获得PWM信号进行扩展，并处理电机的相位鉴定，完成换相控制，将电机反馈的脉冲信号整合后送给核心控制单元，用于检测速度；姿态检测单元分别采用陀螺仪、加速度传感器测量角速度和加速度，用以辅助计算车速、更好的控制机器人位姿，陀螺仪型号为CRS-03-11，加速度传感器为ADXL311。
本发明所述电源单元如图3所示，总共有三块8.4V的锂电池为整个机器人系统供电。电源单元分为两部分，一部分位于控制板，由一块8.4V的锂电池为控制板提供电源，如图3(a)、(b)所示，当开关S2合上，则电池组处于工作状态，通过LM7805以及TPS73HD301两块芯片将电压分别调至5V和3.3V，为电路板上各芯片提供相应合适的电源，其电容C17、C18、C21、C23、C26、C27、C20、C22、C28、C29用来消除高频噪声，进行滤波；另一部分位于驱动板，由两块8.4V的锂电池串联，用于给电机驱动提供所需的12V电源，当开关S1合上，则电池组处于工作状态，通过LM7812将电压调至12V，电容C15、C16、C24、C25用于消除高频噪声、滤波。
本发明所述无线通信是通过图4所示蓝牙模块实现的，Bluetooth模块的CTS、RTS分别为清除发送(输入)、请求发送(输出)，基于我们对于流量无需控制，因此我们串接电阻R30，其阻值为1K，形成自握手。TXD接至TMS320LF2407A的SCIRXD引脚，RXD接至SCITXD引脚，波特率设置为9600。
如图5、6所示，核心控制芯片TMS320LF2407A通过此两引脚获得Bluetooth模块接收到决策信息后，根据给定的各车轮速度值和当前各车轮的速度值，通过控制算法得到当前各车轮应给定的速度值，把其转化为相应的PWM波，经过TMS320LF2407A的PWM1/IOPA6、PWM6/IOPB3、T1PWM/T1CMPR/IOPB4、PWM4/IOPB1输出，对应于自定义的网络标号为PWM_IN1、PWM_IN2、PWM_IN3、PWM_IN4，分别送到CPLD的17、16、18、21引脚，与自定义网络标号相一致。ADCIN08接陀螺仪的输出GYRO_AD，ADCIN07、ADCIN 06分别接AD_Xout、AD_Yout，ADCIN02～05分别对应于AD1～4，即四个车轮驱动电路的母线电流，ADC00、ADCIN 01分别用于测试控制板和驱动板的电量，对电池电量过低进行报警显示。PWM7/IOPE1、PWM8/IOPE2、PWM9/IOPE3、PWM10/IOPE4引脚输出电机的转动方向给CPLD的9、11、15、12引脚，自定义的网络标号为motordir1～4。CPLD的4、5、69引脚，6、8、10引脚，60、63、64引脚，65、67、68引脚分别接电机1、2、3、4的霍尔信号输出端，引脚33、35、40、36、37、39分别接图7(a)所示U1(IR2132)的HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN2、LIN3引脚，27、28、29、30、31、34分别与U2的相应引脚连接，41、44、45、48、49、50分别与U3的相应引脚连接，51、52、54、55、56、57分别与U4的相应引脚连接，均与U1类似。CPLD将霍尔信号处理后，回送给DSP电机的反馈脉冲以及电机转向，标号分别记作FeedbackSpeed1～4(77脚、80脚、81脚、79脚)及FeedbackDir1～4(22脚、25脚、24脚、20脚)，对应接于DSP的CAP1/QEP1/IOPA3、CAP2/QEP2/IOPA4、CAP4/QEP3/IOPE7、CAP5/QEP4/IOPF0及IOPC5、3、2、4。图7(a)中，U1(IR2132)的HO1(27脚)、HO2(23脚)、HO3(19脚)、LO1(16却)、LO2(15脚)、LO3(14脚)分别接至图7(b)中的相应的MOSFET的控制端，图7(a)中发光二极管用于提示是否过流，如果过流则进行过流保护，发光二极管点亮，二极管D2、D3、D4和电容C4、C5、C6组成自举电路。
本发明为了提高控制性能，减少从每个电机速度计算出小车速度CPU所耗费的处理时间，在电路中增加一块加速度传感器，用于对运动小车整体速度进行检测，如图8(b)所示，芯片输出信号AD_Xout和AD_Yout，分别表示为两个成90度方向加速度分量，分别接至DSP的ADCIN07和ADCIN06脚。图8(a)为二阶Butterworth滤波器电路，图中芯片AD780提供精确的2.5V直流电压，陀螺仪的输出信号GYRO_Vout经放大器AD823进行滤波放大后，输出端GYRO_AD接至DSP的ADCIN08。
基于蓝牙技术移动机器人控制装置电路简单，便于功能扩展，系统运行稳定、响应速度快、超调量小，表现出较好的运动性能。
本发明研制了一个适用于结构如图1所示的机器人(四轮驱动，驱动电机为无刷直流电机，型号Maxon EC motor 319881)的控制装置，使其快速响应所给定的信号，即要求驱动电机快速、稳定的达到给定的速度，并尽量提高无线通信的精确度，尽量减少核心控制芯片外围电路，便于控制器功能的扩展。
权利要求
1.基于蓝牙技术移动机器人控制装置，其特征在于该控制装置主要包括电源单元、通信单元、电机驱动单元、核心控制单元、CPLD单元以及姿态检测单元六个部分；其中电源单元用于提供电源；通信单元用于接收无线传输的信号，并把接收到的信息传送到核心控制单元；电机驱动单元是控制电机电压给定的开关，其占空比由核心控制器决定；核心控制单元根据接收到的决策子系统的速度给定和当前机器人各电机的速度决定当前的速度给定，生成占空比；CPLD单元从DSP获得PWM信号进行扩展，并处理电机的相位鉴定，完成换相控制，将电机反馈的脉冲信号整合后送给核心控制单元，用于检测速度；姿态检测单元包括加速度传感器和角速度传感器两部分，用以测定机器人的加速度、角速度供核心控制单元用以辅助计算机器人速度，控制机器人位姿，以实现对机器人更为精确的控制。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于以DSP作为机器人运动平台的主控制芯片，为减少核心控制器的负担以及弥补其缺失，使用一块CPLD对电机反馈脉冲信号进行鉴相、信号整合以及对DSP所产生的四路PWM信号进行扩展，使核心控制器主要用于高级控制算法的实现。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于电源单元共分成三个部分，即12V供电、5V供电、3.3V供电；12V用于给各个电机供电，5V则给CPLD以及陀螺仪供电，3.3V主要给DSP、蓝牙通信模块及加速度芯片提供电源。
全文摘要
基于蓝牙技术移动机器人控制装置。本发明采用DSP+CPLD的控制方式，以DSP作为机器人运动平台的主控制芯片，同时为减少核心控制器的负担以及弥补其缺失，使用一块CPLD对电机反馈脉冲信号进行鉴相、信号整合以及对DSP所产生的四路PWM信号进行扩展，使核心控制器主要用于高级控制算法的实现。无线通信基于蓝牙技术实现。主要包括电源单元、通信单元、电机驱动单元、核心控制单元、CPLD单元以及姿态检测单元六个部分。采用本发明制备的移动机器人子系统，在复杂的控制中，采样周期仍然可以取得很小，控制效果接近连续控制，运行过程中响应速度快、超调量小、稳定性高，结合多路传感器信号，使控制效果进一步加强，不需要扩展程序存储器，核心单元外围电路简单，便于控制器功能的扩展。
文档编号G05B19/04GK101053955SQ200710020820
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月6日 优先权日2007年4月6日
发明者纪志成, 吴定会, 黄学东 申请人:江南大学