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摘要:本文以 DSP 在移动机器人领域的应用为典型例子，如基于 DSP 的车型移动机器人智能交通系统等，具体阐述了数字信号处理以及数字信号处理器在移动机器人领域的应用。
关键词:数字信号处理；应用；分析
中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：
在数字信号处理中，移动机器人系统是具有感知性、作业性、运动性、控制性的综合系统。随着科学技术发展和人民生活水平提高，机器人逐渐进入了人们的生活，出现各种新型机器人，如清扫机器人、安防机器人。机器人是一个精密的整体，作为移动机器人最重要部分之一的控制系统更加引起机器人研究领域的关注，数字信号处理及数字信号处理器在移动机器人控制系统领域至关重要。如智能仓库、超市导购、家用机器人、大厅服务向导、自动化图书馆、智能医院等。其中，基于数字信号处理的运动控制系统直接影响机器人系统的整体性能。
1 数字信号处理
数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理器(DSP)是一种特别适合于进行数字信号处理算法的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。数字信号处理器是在微电子学以及数字信号处理技术发展到一定阶段后产生的一种用于数字信号处理操作的专用芯片器件。其可以通过过滤、抽样、转换等方法，将收集的初始信号按照一定的所需要求(比如放大、缩小或滤波)，再通过一些必要的适当处理(模数转换)得到数字信号。当然，数字信号处理器也具有将数字信号转换为模拟信号的功能，其同样需要一些必要的适当处理( 数模转换)。上述的处理方法进一步完善便可以发展为数字信号处理系统，该系统适用于许多领域，比如航空领域、雷达领域、医疗领域、家用电器领域、自动控制领域等。普通 DSP 具有已改进的哈佛结构、多总线结构以及流水线结构，而 TMS320LF2407A 属于 TI 公司的 TMS320 系列 DSP，其除了具有上述结构还具有专门为数字处理控制而设计的结构，通过采用高性能的静态 CMOS 技术，将电压从一般的 5V 降为现在的 3.3V，这样做的突出优点就是减少了电源功耗。并且，TMS320LF2407A 芯片将执行指令的速率提升至40MIPS(百万指令每秒)，即意味着几乎所有的指令均具有在 25ns 内完成的能力，具有这样的高运算速度需要采用高级的控制算法(比如，模糊控制、卡尔曼滤波、状态控制)。除此之外，TMS320LF2407A 芯片还必须具有电机控制的外围设备(比如，32kB 闪存、2kB RAM、SPI(串行外设接口) 、SCI(串行通信接口)、具有两个事件的管理模块、A / D 转换器( 16 通道双 10 位) 以及 CAN 控制模块) 。
2 DSP 在移动机器人中的应用
2.1 基于 USB 总线的移动机器人控制系统中的DSP
在基于 USB 总线的新型开放式移动机器人控制系统中，机器人以 PC 为上位计算机，用一块 DSP运动控制卡对机器人的两个步进电机进行控制。并采用 USB 总线进行上下位机之间的通讯，很好地实现了机器人的实时控制，设计制作的一种分布式超声环境探测系统，可用于实现移动机器人的环境地图建立、定位、目标跟踪、导航、避障等功能。DSP运动控制卡是以 TMS320LF2407 芯片( 上述) 为核心的，通过发送脉冲信号实现移动机器人的左右两路步进电机。DSP 控制系统的工作原理如下: 首先，对该移动机器人周围的障碍物采集有关的信息；随后通过 USB 总线，向上位计算机发送所采集的障碍物信息，并接收上位计算机 PC 所规划的路径轨迹的命令或轨迹无线信号；然后，将所接收到的路径轨迹命令或轨迹无线信号转化成脉冲信号；最后，通过所转化的脉冲信号实现对步进电机的控制，进一步实现对基于 USB 总线的移动机器人的运动控制。
以2009 年全国大学生电子设计竞赛为例(如图1 所示)，有一个可移动带有声源的移动机器人 S，三个声音接收器 A、B 和 C，声音接收器之间有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox 线(或 O＇y 线)的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。可移动声源运动的起始点必须在 Ox 线右侧，位置可以任意指定。
图 1 系统示意图
2.2 系统实现方案
根据要求，系统可以划分为小车控制部分与小车的检测部分。其中信号检测部分的模块被安置在平面的 A，B，C 三点，这样的模块包括超声波接收模块、无线传输模块。控制部分的模块被安置在小车上，这样的模块包括电机驱动模块、超声波发射模块，无线传输模块。如图 2 所示的系统框架图。其中超声波接收模块接收到超声波发射模块的信号后，传递给芯片 B，经过 B 计算处理得到小车的坐标位置。然后通过无线传输模块将小车的位置信息传递给芯片 A，此时 A 开始工作计算出小车的运动方位。从而控制小车的运动。图 3 为系统设计流程图。
图 2 系统框架图
图 3 系统流程图
3 结论
数字信号处理可以将真实世界的连续模拟信号进行测量和滤波。在移动机器人领域应用中可以通过数字信号处理器(DSP) 将移动机器人的运动速度、运动轨迹、运动方向等信息通过模数转换成为数字信号，再对数字信号进行处理、分析，实现对外部硬件和软件的集成。针对常规单片机控制系统和采用专用电机芯片系统存在的问题，充分利用 DSP控制器以及TMS320LF2407A 外设接口丰富及运算速度快的特点，使移动机器人具备良好的调速性，能达到较高的控制精度，这些基于 DSP 的运動控制器的实现方法，对许多形式的移动机器人驱动系统具有一定的普适性。基于 DSP 的移动机器人控制系统不仅可以实现对移动机器人远程控制环境信息的实时控制，更重要的是其在近年来的移动机器人的研究和应用上具有非常重要的意义。
参考文献：
[1] 刘和平． TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用〔M〕．北京: 北京航空航天大学出版社，2002．
[2] 刘和平等．TMS320LF2407X DSP C 语言开发应用〔M〕． 北京: 北京航空航天大学出版社，2003．
[3] 李庆中． 移动机器人路径跟踪的智能预瞄控制方法研究〔J〕．机器人，2010，24(3)．
[4] 薛宏熙，边计年，苏 明． 数字系统设计自动化〔M〕．北京: 清华大学出版社，2006．
[5] 陈后金，薛 健，胡 健． 数字信号处理〔M〕．北京: 高等教育出版社，2005．
[6] 黄永志，陈卫东． 两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现〔J〕． 机器人，2009，26(1)．
关键词:数字信号处理；应用；分析
中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：
在数字信号处理中，移动机器人系统是具有感知性、作业性、运动性、控制性的综合系统。随着科学技术发展和人民生活水平提高，机器人逐渐进入了人们的生活，出现各种新型机器人，如清扫机器人、安防机器人。机器人是一个精密的整体，作为移动机器人最重要部分之一的控制系统更加引起机器人研究领域的关注，数字信号处理及数字信号处理器在移动机器人控制系统领域至关重要。如智能仓库、超市导购、家用机器人、大厅服务向导、自动化图书馆、智能医院等。其中，基于数字信号处理的运动控制系统直接影响机器人系统的整体性能。
1 数字信号处理
数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理器(DSP)是一种特别适合于进行数字信号处理算法的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。数字信号处理器是在微电子学以及数字信号处理技术发展到一定阶段后产生的一种用于数字信号处理操作的专用芯片器件。其可以通过过滤、抽样、转换等方法，将收集的初始信号按照一定的所需要求(比如放大、缩小或滤波)，再通过一些必要的适当处理(模数转换)得到数字信号。当然，数字信号处理器也具有将数字信号转换为模拟信号的功能，其同样需要一些必要的适当处理( 数模转换)。上述的处理方法进一步完善便可以发展为数字信号处理系统，该系统适用于许多领域，比如航空领域、雷达领域、医疗领域、家用电器领域、自动控制领域等。普通 DSP 具有已改进的哈佛结构、多总线结构以及流水线结构，而 TMS320LF2407A 属于 TI 公司的 TMS320 系列 DSP，其除了具有上述结构还具有专门为数字处理控制而设计的结构，通过采用高性能的静态 CMOS 技术，将电压从一般的 5V 降为现在的 3.3V，这样做的突出优点就是减少了电源功耗。并且，TMS320LF2407A 芯片将执行指令的速率提升至40MIPS(百万指令每秒)，即意味着几乎所有的指令均具有在 25ns 内完成的能力，具有这样的高运算速度需要采用高级的控制算法(比如，模糊控制、卡尔曼滤波、状态控制)。除此之外，TMS320LF2407A 芯片还必须具有电机控制的外围设备(比如，32kB 闪存、2kB RAM、SPI(串行外设接口) 、SCI(串行通信接口)、具有两个事件的管理模块、A / D 转换器( 16 通道双 10 位) 以及 CAN 控制模块) 。
2 DSP 在移动机器人中的应用
2.1 基于 USB 总线的移动机器人控制系统中的DSP
在基于 USB 总线的新型开放式移动机器人控制系统中，机器人以 PC 为上位计算机，用一块 DSP运动控制卡对机器人的两个步进电机进行控制。并采用 USB 总线进行上下位机之间的通讯，很好地实现了机器人的实时控制，设计制作的一种分布式超声环境探测系统，可用于实现移动机器人的环境地图建立、定位、目标跟踪、导航、避障等功能。DSP运动控制卡是以 TMS320LF2407 芯片( 上述) 为核心的，通过发送脉冲信号实现移动机器人的左右两路步进电机。DSP 控制系统的工作原理如下: 首先，对该移动机器人周围的障碍物采集有关的信息；随后通过 USB 总线，向上位计算机发送所采集的障碍物信息，并接收上位计算机 PC 所规划的路径轨迹的命令或轨迹无线信号；然后，将所接收到的路径轨迹命令或轨迹无线信号转化成脉冲信号；最后，通过所转化的脉冲信号实现对步进电机的控制，进一步实现对基于 USB 总线的移动机器人的运动控制。
以2009 年全国大学生电子设计竞赛为例(如图1 所示)，有一个可移动带有声源的移动机器人 S，三个声音接收器 A、B 和 C，声音接收器之间有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox 线(或 O＇y 线)的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。可移动声源运动的起始点必须在 Ox 线右侧，位置可以任意指定。
图 1 系统示意图
2.2 系统实现方案
根据要求，系统可以划分为小车控制部分与小车的检测部分。其中信号检测部分的模块被安置在平面的 A，B，C 三点，这样的模块包括超声波接收模块、无线传输模块。控制部分的模块被安置在小车上，这样的模块包括电机驱动模块、超声波发射模块，无线传输模块。如图 2 所示的系统框架图。其中超声波接收模块接收到超声波发射模块的信号后，传递给芯片 B，经过 B 计算处理得到小车的坐标位置。然后通过无线传输模块将小车的位置信息传递给芯片 A，此时 A 开始工作计算出小车的运动方位。从而控制小车的运动。图 3 为系统设计流程图。
图 2 系统框架图
图 3 系统流程图
3 结论
数字信号处理可以将真实世界的连续模拟信号进行测量和滤波。在移动机器人领域应用中可以通过数字信号处理器(DSP) 将移动机器人的运动速度、运动轨迹、运动方向等信息通过模数转换成为数字信号，再对数字信号进行处理、分析，实现对外部硬件和软件的集成。针对常规单片机控制系统和采用专用电机芯片系统存在的问题，充分利用 DSP控制器以及TMS320LF2407A 外设接口丰富及运算速度快的特点，使移动机器人具备良好的调速性，能达到较高的控制精度，这些基于 DSP 的运動控制器的实现方法，对许多形式的移动机器人驱动系统具有一定的普适性。基于 DSP 的移动机器人控制系统不仅可以实现对移动机器人远程控制环境信息的实时控制，更重要的是其在近年来的移动机器人的研究和应用上具有非常重要的意义。
参考文献：
[1] 刘和平． TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用〔M〕．北京: 北京航空航天大学出版社，2002．
[2] 刘和平等．TMS320LF2407X DSP C 语言开发应用〔M〕． 北京: 北京航空航天大学出版社，2003．
[3] 李庆中． 移动机器人路径跟踪的智能预瞄控制方法研究〔J〕．机器人，2010，24(3)．
[4] 薛宏熙，边计年，苏 明． 数字系统设计自动化〔M〕．北京: 清华大学出版社，2006．
[5] 陈后金，薛 健，胡 健． 数字信号处理〔M〕．北京: 高等教育出版社，2005．
[6] 黄永志，陈卫东． 两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现〔J〕． 机器人，2009，26(1)．