移動機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導航和避障功能。在移動機器人的導航系統(tǒng)中，傳感器起著舉足輕重的作用。視覺、激光、紅外、超聲傳感器[1]等都在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中，超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低，被廣泛用作移動機器人的測距傳感器，以實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導航等功能。

傳統(tǒng)的輪式移動機器人超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大多采用單片機作為微處理器，以此來測量移動機器人到障礙物的距離，并將距離通過串口傳輸?shù)缴衔粰C。采用這種設計，系統(tǒng)制作簡單、成本低。但是，對于多超聲傳感器測距系統(tǒng)，如果仍采用單片機來完成測距任務，由于系統(tǒng)中超聲傳感器數(shù)量較多，為保證系統(tǒng)的實時性，就需要多個單片機才能完成數(shù)據(jù)采集，這使得采集系統(tǒng)不可避免地存在設計復雜和一些算法難以實現(xiàn)等缺陷。隨著微電子工藝的發(fā)展，數(shù)字信號處理器(DSP)的應用領域已從通信行業(yè)拓展到工業(yè)控制領域。TI公司推出的TMS320LF2407A是專門針對控制領域應用的DSP，它具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構，其指令執(zhí)行速度高達40MIPS，且大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強大的片內(nèi)I／0端口和其它外圍設備，可以簡化外圍電路設計，降低系統(tǒng)成本。正是基于這種思想，中國科學院自動化研究所在國家“863”計劃的支持下，利用多DSP和嵌入式PCI04自行設計和研制了輪式移動機器人CASIA-I。本文著重介紹其超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時對通過CAN總線完成的超聲數(shù)據(jù)與上位機通訊的原理和設計過程進行分析說明，并給出實驗結(jié)果。

1 超聲測距原理
　
超聲測距的原理較簡單，一般采用渡越時間法[1]，即：
D=ct／2 (1)
其中D為移動機器人與被測障礙物之間的距離，c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。聲波在空氣中傳輸速率為[1]：



其中，T為絕對溫度，c。=331．4m／s。在不要求測距精度很高的情況下，一般可以認為c為常數(shù)。渡越時間法主要是測量超聲發(fā)射到超聲返回的時間間隔t，即“渡越時間”，然后根據(jù)式(1)計算距離。

2 系統(tǒng)硬件設計

在距地面高度為45cm、相隔為22．5°的同一環(huán)上均勻分布著16個Polaroid生產(chǎn)的超聲傳感器，其編號為1#～16#(逆時針安排)，超聲傳感器波束角為30°，超聲傳感器的最小作用距離為0．45m。超聲數(shù)據(jù)采集板主要有兩大模塊：一是16路超聲傳感器的超聲波發(fā)射和回波的接收模塊，二是與上位機(機器人中央控制器)的CAN總線通訊模塊。其硬件結(jié)構見圖1。



TMS320LF2407A向I／0端口發(fā)出控制信號，啟動內(nèi)部定時器進行計時。此控制信號經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動電路的啟動信號(1NIT)，超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時返回的高頻振蕩信號經(jīng)放大(為彌補傳播過程中信號的衰減)使超聲傳感驅(qū)動電路的ECHO端產(chǎn)生高電平脈沖。ECHO電平變化經(jīng)過門電路后引起TMS320LF2407A外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時器的計數(shù)值，根據(jù)式(1)計算距離；否則，認為傳感器前方探測范圍內(nèi)無障礙物。

因為超聲傳感器之間的安裝位置相差22．5°，而超聲傳感器的波束角為30°，如果超聲波同時發(fā)射，必然會有干擾。如果采用輪循方式，即一個接一個地發(fā)射超聲波，雖然可以消除串擾回波的影響，但是16個超聲傳感器輪循一次周期較長，降低了采集頻率。為了在不降低采集頻率的同時消除超聲的相互干擾，本系統(tǒng)將16個超聲傳感器分成A(1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#)和B(2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#)兩組，因為同一組內(nèi)的兩個超聲傳感器安裝位置相差45°，通過計算可以知道，這種情況下超聲傳感器同時工作不會產(chǎn)生干擾，因而每一組里的超聲傳感器同時工作，組與組之間則采用輪循方式工作。這樣既可以達到很高的采集頻率，同時也滿足了系統(tǒng)的實時性要求。每組8個超聲傳感器的ECHO端分別連接到一門電路，然后通過門電路連接DSP的XINTl和XINT2端。XINTl／2引腳電平發(fā)生跳變時會產(chǎn)生外部中斷，通過I／0口可以知道是哪個或哪幾個傳感器引起中斷。
TMS320LF2407A內(nèi)部集成了CAN控制器，通過它可以方便地構成CAN控制局域網(wǎng)絡。TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口與CAN收發(fā)器SN65HVD230相連，通過SN65HVD230連接CAN總線。SN65HVD230是TI公司生產(chǎn)的專門針對240X系列DSP內(nèi)CAN控制器與物理總線的接口。它的供電電壓和TMS320LF2407A一樣，僅為3．3V。由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，最高傳輸速率可達到1Mbps。超聲采集板的數(shù)據(jù)能夠快速、可靠地傳給中央控制器。

3軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由兩部分構成，即超聲數(shù)據(jù)采集與處理模塊、CAN總線通訊模塊。

3.1多路超聲傳感器數(shù)據(jù)采集模塊

超聲傳感器被分為兩組，兩組循環(huán)交替工作。軟件設計上采用兩個定時器依次工作，分別對兩組傳感器進行計時。選擇定時器的周期比超聲傳感器探測最大距離所需的渡越時間稍長。在每個定時器周期開始時，觸發(fā)一組超聲傳感器同時開始工作。在定時器周期內(nèi)，每個回波返回，都會觸發(fā)一次外部中斷(XINTl或XINT2中斷)，在外部中斷處理程序內(nèi)，將超聲波返回時間進行紀錄，并將相應的超聲傳感器關閉。外部中斷處理程序非常簡短，本系統(tǒng)只用了不到20條指令，并且TMS320LF2407A指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進入外部中斷處理程序而延誤了對后來回波的處理，但這種延誤的時間根據(jù)計算不大于0.5μs，由此引入的距離誤差根據(jù)(1)式計算小于83.5×10-6m。可見誤差非常小，可以忽略不計。當定時器中斷時，對于距離大于最大超聲探測范圍的，沒有相應的時間記錄，給它們加上超出測距范圍的標志。其它的時間數(shù)據(jù)都有記錄，根據(jù)(1)式計算距離，然后啟動下一個定時器工作，并觸發(fā)下一組超聲傳感器。本文的超聲傳感器的最大探測距離為3.5m，因而超聲波探測的最長時間為20.58ms。所以每個定時器的周期選為20.6ms。圖2只畫出了一組超聲傳感器的處理框圖，另一組與此相同，不再贅述。



由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實際值總有一些誤差，表1列出了本超聲測距系統(tǒng)測量值與對應的實際值。采用最小二乘法[8]對表1的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果為：
y=O.9986x+0.2111
式中，x為測量值，y為實際值。



3.2基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信

超聲數(shù)據(jù)采集板發(fā)送測距數(shù)據(jù)以中斷的方式完成。TMS320LF2407A有專門的mailbox中斷，用于響應發(fā)送／接收中斷。每個超聲傳感器的測距值在DSP內(nèi)用兩個字節(jié)存儲，而CAN總線傳輸標準要求每個數(shù)據(jù)幀最多只能傳輸8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)共有16個超聲傳感器，共有32個字節(jié)存儲所有測距值。CAN總線傳輸所有測距值需要4個數(shù)據(jù)幀才能傳送完。本系統(tǒng)的通訊過程為：中央控制器發(fā)送遠程請求，超聲數(shù)據(jù)采集板進入接收中斷，在中斷服務程序內(nèi)，采用查詢方式發(fā)送4幀數(shù)據(jù)，每幀數(shù)據(jù)包含4個超聲傳感器的測距值。本系統(tǒng)采用的波特率是500kbps。TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的遠程請求幀，用mailbox2發(fā)送測距數(shù)據(jù)值。圖3是超聲數(shù)據(jù)采集板的發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務程序框圖。其中，TA2是對應mailbox2發(fā)送數(shù)據(jù)幀完成的標志位，RMP0是對應mailbox0接收數(shù)據(jù)幀的標志位。關于TMS320LF2407A的CAN模塊的具體說明，參見文獻[4]，在此不作具體介紹。



中央控制器接收子程序由VC++編寫。當機器人需要新的測距值時，即調(diào)用此子程序。程序框圖見圖4。接收程序收到一幀數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否有錯，若有錯，則向采集板發(fā)送命令，要求重發(fā)此幀數(shù)據(jù)；若正確，發(fā)送確認命令，要求采集板發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，直到所有的超聲測距數(shù)據(jù)都接收完。



本文介紹的超聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用TMS320LF2407A為核心處理器，可以達到很高的采集速率和精度。通過CAN總線通訊，可以將測距值以很高的波特率可靠地發(fā)送給機器人中央控制器。此系統(tǒng)已經(jīng)在自行設計的智能移動機器人CASIA-I上得到了實際應用。實驗驗證了硬件系統(tǒng)的可靠性和算法的有效性。