系统的硬体设计包括寻线感测器阵列和直流电机驱动模组.ppt

組員: 張 竣 堯 張 登 鴻 DSP2407的尋線機器人的設計 DSP2407為主要控制核心，通過AVR單片 機採集、處理尋線感測器的資訊，通過 DSP2407輸出PWM脈衝對尋線機器人直流 電機進行調速控制。系統的硬體設計包括 尋線感測器陣列和直流電機驅動模組。 1. 系統的總體硬體設計 系統的整體硬體設計包括尋線感測器陣列的設計和電機驅動控制的設計，其系統結構圖如下圖所示： 1.1尋線感測器陣列的設計 使用的尋線感測器要能用於識別黑白線，而常見的可用於實現黑白線巡線功能的感測器有光電類和CCD類感測器。前者結構簡單、回應迅速、成本低廉、易實現；後者成本較高、實現難度大。 本設計選用光電類感測器進行巡線感測器模組的設計。光電類感測器測量的基本原理是光電效應，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然後借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號，這類感測器一般由發射光源、光學通路和光電元件組成。 反射式光電感測器通過判斷反射光的強度以達到巡線的目的，通常有發光管和接收管組成，其工作原理：發射管向外發射可見光,當光線碰到路面後被反射回來，由於地面與路線軌跡的色差導致被反射回來的光強度也不同，接收管接收到的光信號反應了返回光線的強弱，最終接收管經光電轉換輸出電壓也不一樣，根據輸出電壓的差異以識別路線軌跡。如下圖所示。 DSP2407內部集成了16通道轉換精度為10位的AD，所以通過DSP系列微控制器內部集成的A/D轉換器將反射式光電感測器採集的類比信號轉換成數位信號，該實驗所設計的巡線陣列感測器將7個反射式光電感測器對管按照一定的間距放置在一條直線上，並且集成在一個PCB板上。 本文提出一種自動檢測並設定閾值的方法，實現方法見軟體部分描述，硬體上只需要設置一個開關來控制這個功能的使能既可。最終的巡線陣列感測器的硬體結構圖如下圖所示。 1.2 電機驅動器設計 動力是移動機器人實現或完成其任務所需要的一個重要的方面，所以動力裝置以及動力驅動器構成了移動機器人的執行環節。直流電機結構簡單、技術成熟，常見的直流電機可分有刷直流電機、無刷直流電機和步進電機。本實驗動力裝置為有刷直流電機。 有刷電機的驅動，通過改變連接到電刷上的電壓極性就可以實現電機的轉向控制，通過改變連接到電刷上的電壓大小就可以實現電機的速度控制。電壓極性的切換通過H橋電路完成，電機速度的控制通過PWM(Pulse Width Modulation)調速技術來完成，PWM信號控制H橋的下橋臂開通關斷的時間比來改變加在電機電樞上的平均電壓進而實現調速的目的。H橋和PWM的基本工作原理如下圖所示。 2. 系統軟體分析與設計 2.1 巡線陣列感測器軟體設計 尋線陣列感測器的軟體設計部分主要事在DSP的中斷內進行實現的，DSP控制器內包括3個計時器：計時器1與2一般預留給即時操作系統使用，只有計時器0使用者可以在應用程式中使用。 其中閾值的自動設定部分是巡線陣列感測器軟體中最為核心的一部分，它直接影響到感測器的工作性能，若計算設定的閾值不夠合理，在感測器進行巡線檢測的過程中將會很容易得出錯誤結果，造成移動機器人控制出錯。 這裡將其閾值的計算過程簡要說明：首先採集各個感測器的值，按照大小排序後依次比較相鄰感測器的值並找出差別最大的相鄰的兩個感測器值，這兩個感測器值反應了各自的黑白檢測狀態，再取它們的差值中的適當位置作為閾值。 2.2 驅動器軟體設計 電機驅動器軟體的設計主要有以下幾個方面的內容： (1) 電機轉速的控制 本實驗事通過改變電機電樞電壓接通時間與通電週期的比值(占空比)來控制電機的轉速(即PWM控制調速法)，脈寬調製是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續的直流脈衝序列，並通過控制脈衝的占空比達到變壓的目的。直流電機得到的實際電壓波形如下圖所示。電壓平均值U0描述為：U0 = t1/(t1+t2) * Us = t1/T * Us (2) 換向控制邏輯 換向邏輯指的是決定換向時那些橋臂導通、哪些橋臂關斷，以及關斷導通的先後順序、時間間隔，否則會由於導通與關斷在時間上會有重合，造成同側上下橋臂在短時間內同時導通形成大的電流而燒壞MOSFET管的現象。換向控制的軟體設計上採用先全部關斷，然後延時一段時間以確保MOSFET管全部關斷後再打開需要導通的MOSFET管。 (3)過流檢測與警示 電機的驅動，很容易產生大電流的情況，比如電機啟動瞬間、堵轉、負載變化等。啟動瞬間形成的大電流存在的時間很短，通過軟體分段控制電機的啟動過程予以消除；堵轉和負載變化形成的大電流出現的時間具有一定的隨即性，所以不能使用軟體控制過程的方法，軟體上是這樣處理的：電流取樣電阻上的電