基于DSP的水上智能機器人系統設計與實現

周郭牛，李穎，聶在平

（電子科技大學四川成都610054）

基于DSP的水上智能機器人系統設計與實現

周郭牛，李穎，聶在平

（電子科技大學四川成都610054）

為了滿足對不宜人工直接從事的復雜危險水域環境監測需求，提出了一種基于DSP的水上智能機器人硬件系統設計方案。該系統采用模塊化的設計思想，主要包括DSP核心控制模塊、快速反應模塊、圖像采集模塊以及三相電機控制模塊等，各模塊之間相互獨立，抗干擾能力突出，且該系統引入了快速反應模塊，使機器人具有靈活性特點，同時將動力系統結構放置在船體上面，依靠驅動空氣的方式產生前行動力，克服了傳統水中測量器不能通過低洼、沼澤等復雜水域的缺陷，與現有水中測量工具相比該系統具有成本低、智能化程度高、易于維護和升級等優點。通過模擬水域測試實驗，該系統有良好的快速反應和機動能力，滿足實際應用的需要。

環境監測；復雜水域；機器人；DSP

由于近年來我國環境污染日益嚴重，環境污染監測與治理迫在眉睫，尤其對一些復雜惡劣的特殊自然環境檢測和測量顯得格外重要。目前我國的水質監測方式主要有實驗室監測、自動監測站監測和移動監測3種。

其中實驗室監測需要人工到到現場采樣，監測周期長、勞動強度大；自動監測站監測則需要在監測地點建立監測站，使用配套儀器，成本極高；移動監測具有成本低、靈活性好、覆蓋范圍廣等優點。

針對污染比較嚴重的一些淺灘、沼澤等水域，傳統的移動監測設備無法滿足實際測量的需要，面對這些實際應用的需要，本文提出了基于DSP（Digit Signa1 Processor）水上智能機器人的硬件系統設計方案，并且完成了系統的軟硬件實現；該系統引入了快速反應電路控制模塊，能在機器人行駛過程中遇到水中雜物時快速躲避，并且將主動力系統電路和機械結構放置在機器人實體上面，通過驅動空氣的方式產生前行動力，客服了傳統移動測量器不能通過淺灘、沼澤等低洼水域的缺陷。

1　總體設計

基于DSP的水上智能機器人系統主要由硬件系統和軟件控制系統組成。其中DSP核心控制模塊產生高頻窄脈沖信號驅動超聲波發生器產生超聲波信號，當機器人在行駛過程中遇到障礙物時，反射回來的超聲波信號被超聲波接收器接收，然后產生對應占空比的PWM（Pu1se Width Modu1ation）波信號控制快速反應模塊對障礙物進行躲避；在行駛過程中由三相電機提供動力，DSP控制模塊會根據傳感器采集的數據實現對三相電機的閉環控制；數據采集模塊用于將采集的樣本數據經過濾波后送給DSP處理，經過處理后的數據和已經采集的圖像信息通過傳輸天線發送給PC控制終端，用戶可以根據這些接收的數據實時觀察機器人作業情況，不僅如此，用戶還可以通過PC控制終端向機器人發送控制指令，實現人工干預控制作業，系統總體結構如圖1所示。

2　硬件系統設計

基于DSP的水上智能機器人硬件系統部分是以DSP控制器為控制核心，包括超聲波壁障模塊、數據采集模塊、快速反應模塊、圖像傳輸天線模塊、三相電機控制模塊以及電源管理模塊組成。各模塊之間相互獨立，且均與DSP控制器相連，硬件系統結構如圖2所示。

圖1　系統總體結構圖

圖2　硬件系統結構圖

2.1DSP核心控制模塊設計

DSP核心控制器采用美國德克薩斯公司的TMS320F2812，內部擁有32位高性能CPU，系統時鐘可達150 MHz，集成有2個串口通信模塊，16通道的ADC轉換模塊以及56個通用I/ O引腳，完全滿足了機器人數據處理和控制的需要［1］。DSP核心控制模塊結構如圖3所示。2.2數據采集模塊設計

圖3　DSP核心控制模塊結構圖

數據采集模塊主要用于傳感器采集CO2濃度，濕度以及水質等參數，它由多個通道組成，每個通道分別采集一種數據，然后在每個不同時刻，由DSP控制器產生通道地址信號控制模擬開關選通不同的通道，所有通道都共享后面的低通濾波和增益網絡，最后將采集的數據傳輸給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結構，_3 dB截至頻率為20 kHz。運算放大器采用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　數據采集模塊結構圖

2.3快速反應模塊設計

控制模塊由大功率晶體管2SA1302和直流電機組成，2SA1302最大供電電壓可達200 V，集電極電流Ic=8 A。當DSP控制器發送不同占空比的PWM波給大功率驅動電路輸入端時，其輸出端會得到一個占空比相同，但幅度和電流都要大得多的脈沖信號給直流電機，從而控制電機不同轉速。

2.4超聲波避障模塊設計

反超聲波壁障模塊主要有兩部分組成：發送通道和接收通道。其中發送通道將DSP芯片產生的高頻矩形脈沖信號功率放大后驅動超聲波發生器產生超聲波；接收通道接收反射回來的超聲波，然后經過前置放大濾波后，經過檢波器檢波，最后輸出。超聲波壁障電路采用索尼公司集成專用IC CX20106A，通過設置外圍電阻和電容的值可以設置內部濾波器帶寬，最后將檢波信號以低脈沖的方式輸出到DSP的外部中斷引腳。

2.5三相電機控制模塊設計

三相電機控制驅動電路采用TI公司的Drv8312，該芯片內部集成有三通道逆變器，最大輸出峰值電流可達13 A，且具有過熱和過流保護。控制算法采用PID閉環控制，通過檢測線圈電流的方式作為控制三相電機的反饋量［3］，然后將電流轉換為電壓后傳送給DSP控制器，同時DSP控制器根據反饋的信號控制驅動逆變電路PWM波的占空比，電機驅動結構如圖5所示。

圖5　三相電機控制模塊結構圖

2.6圖像采集與天線傳輸模塊設計

圖像采集及天線模塊是通過CMOS攝像頭實時采集圖像數據，并且將采集的數據存入FIFO堆棧中，然后通過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據［4］通過WIFI模塊發送到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據；天線電路采用RM04工業WIFI模塊，波特率可達230 400 bps，通信距離100～300 m。

3　PC控制終端軟件設計

PC控制終端軟件系統是基于C++語言開發的，編程采用模塊化思想，即將整個軟件系統分為視頻接收與顯示模塊、機器人方向控制模塊、監測數據實時顯示模塊、機器人航速調節及狀態監測模塊和指令發送顯示面板［5_6］。終端軟件系統結構如圖6所示。

圖6　系統軟件設計結構圖

PC控制終端軟件系統主要完成用戶與機器人之間的信息交互，即機器人將機載攝像頭采集的圖像數據、數據采集電路采集的監測數據以及機器人自身狀態監測數據組合成事先設置好幀結構里，經過無線局域網絡傳輸給PC終端接收設備。軟件系統將接收的幀數據解調出來，經過數據校驗無誤后分別送到視頻顯示處理模塊和監測數據實時顯示曲線模塊中處理。于此同時，用戶還能根據接收的數據實時觀察機器人的狀態信息，如航速、攝像頭掃描角、快速反應電機轉速等，軟件設計流程如圖7所示。

圖7　軟件設計的流程圖

4　實驗結果與分析

通過將水上智能機器人放在模擬復雜水域測試，得出該機器人能夠實現對沼澤地水面氣體和水質多點多通道分時采樣，能在有霧的環境下精確檢測20～40 cm外的障礙物，自動避障時間為2 s左右，停船時間為4 s左右，對于水表生長有水草等植物水域，機器人能順利通過。機器人與控制終端可實現雙向全雙工傳輸通信，一方面機器人可以在有霧的情況下，將周圍100 cm以內環境圖像數據傳輸給控制終端，控制終端以視頻和曲線的方式實時監測其狀態；另一方面控制終端向機器人發送控制指令，對水域環境進行采樣。

5　結論

文中詳細論述了系統的軟硬件設計和實現過程，整個系統采用模塊化設計思想，各模塊之間相互獨立，抗干擾能力強，與現有水上移動監測器對比，該系統引入了快速反應控制電路，使機器人能夠在無人干預下快速避開障礙物，并且將動力系統設計在船體上面，避免了與水直接接觸，克服了現有移動監測器不能通過低洼、沼澤等水域的缺陷。通過模擬實驗，該系統運行穩定、人機界面友好，完成了預期設計要求。

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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：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。