机器人导航定位模块

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1、机器人导航定位用数据采集平台[摘要]本平台以MSP430十六位超低功耗单片机为核心，通过RS-485接口使用Modbus协议进行数据通讯。其中，由自行研制的中远程超声波测距模块组成八方向超声波环提供环境测距数据；由MMA7260加速度传感器提供三轴加速度数据；由三个EWTS82单轴微机械陀螺仪提供三轴角速度数据；由Sen-R65磁传感器配合专用测量芯片提供电子罗盘数据。[关键词]MSP430F149超声波加速度陀螺仪电子罗盘一、平台综述本文旨在设计并实现一个机器人导航定位用数据采集平台，该平台作为一个传感模块，可为机器人MCU提供周围环境测距、加速度、角速度

2、和罗盘方位等数据。使自主机器人设计工作专注于信息处理与运动控制，免去了大量传感器选型、制作和调试工作，减轻了人力、时间和资金的开销。平台系统框图如下图所示。其中超声波环由自制八个超声波测距模块组成“米”字型，可用于机器人避障及导航。三轴加速度值可以判断出机器人当前的姿态，是上坡还是下坡，有无发生倾斜等。三轴陀螺仪用于测量三个轴的角速度值，可积分出机器人转弯的角度。在高级应用场合，加速度传感器配合陀螺仪即可实现惯性导航，使机器人在无需外界信息的情况下计算出自身的行进路线。电子罗盘模块可提供无累计误差的方位数据，用于纠正其他传感器的测量结果。电源模块使用模拟数字

3、部分分离，减少数字芯片对模拟传感器的干扰。通讯接口配置了RS-485及RS-232，并使用工业级Modbus协议与机器人平台通讯。控制器使用的是TI的16位超低功耗单片机MSP430F149。八方向超声波环三轴加速度模块电源模块控制器MSP430三轴陀螺仪模块通讯接口电子罗盘模块图1.1平台系统框图图1.2平台实物照片图1.3模块分布情况2123D二、超声波模块设计该模块专为机器人导航设计，具有发射距离远、波束角小、控制简单、成本低等特点。1、发射电路U8E1110U8FCD4069UB[TI]Trigger1312Sel555U8DSel555VCCCCD

4、4069UB[TI]98CD4069UB[TI]VCCR111K48U8CU7U9C5R561516GNDVCC7U10DISVCC1114105CD4069UB[TI]T1INT1OUTR1223107TRIGQT2INT2OUT12K1213R1OUTR1IN698THRR2OUTR2INTCT-40TR13CVoltGND14C1+C2+2.4KNE55535C1-C2-51C6C1910562105BV-V+C20C25C17MAX232(Maxim)C18102104105105图2.1超声波模块发射电路使用555定时器电路产生40KHZ方波信号，

5、经过MAX232芯片将5Vpp的方波提升至35Vpp，有效增大了发射功率。TitleA模块对外引出引脚Trigger，需要发射时，控制器只需向该引脚输入一定时间的高电平SizeNumber（如200us代表8个40KHz方波），经过非门整形驱动后送入555RESET端，此时3管脚A4Date:25-May-2009File:C:DocumentsandSettingsHeaven会立即产生一系列方波，其波形如下：123图2.2实际超声波探头两端信号2、接收电路由信号放大、包络检波、可变门限、比较器组成，电路如下：CVCCR15D41MR14Sel555

6、1.5K5819C26R16VCC10430K86U8AU8BU11C21C22C23D6712345U12BR211021021025819LM35820KCD4069UB[TI]CD4069UB[TI]4EchoTCT-40RD5C24R20BR18R195819102100KR1730K5.1M5.1M图2.3超声波模块接收电路使用TI的CD4069非门并联5.1M电阻，两级级联后增益高、噪声低、效果好。TitleASizeNumberA4Date:26-May-2009File:C:DocumentsandSettingsHeaven桌面123

7、图2.4半波包络检波后的波形包络检波后与可变门限比较。其中可变门限至关重要，合适的门限可以抑制干扰，增大量程。下图中蓝色为放大后波形，黄色为可变门限，当波形超过门限时输出有效信号。图2.5模块无反射回波时的波形43、实物及用法图2.6超声波模块实物照片（尺寸4*2*1.5cm）模块对外提供五个接口，除了5V电源和地外，还有发射引脚TRI和接收引脚ECHO。测距时，控制器向TRI输入一200us高电平信号，同时开始计时，直至ECHO管脚返回第一个高电平时停止计时，此时距离=计时值*声速/2。模块测距极限为5cm~7.5m，5m内测距精度±1cm，有效距离会因反

8、射面的角度、面积、硬度而不同（如人体反射较弱，123