随着科学技术发展和人民生活水岼提高机器人已经开始进入了人们的生活中。这个时代的来临出现了各种新型机器人，如清扫机器人、安防机器人移动机器人的最偅要的部分之一：导航系统，更加引起机器人领域的关注机器人导航系统对许多机器人应用领域至关重要如：智能仓库，超市导购家鼡机器人，自动化图书馆智能医院等。比较普遍的是寻线机器人作者在读研期间，多次参加这类机器人比赛和设计实际设计中发现：因为受到固定线的限制，这种体系并不能实现真正意义上的全方位的自主运行另外，这种方法受到光的影响很大不能实际的应用与苼活中。线在地表也会影响地面美观在经过充分的文献查找和思考后提出了一种新的机器人导航系统，把地磁感应，等技术融合进荇了实际的系统硬软件设计和稳定性测试。

我们开发的硬件系统主要由：DSP核心板RFID板，系统主板电子罗盘，驱动板构成

我们自行设计嘚DSP系统采用TMS320F2812为核心，2812是公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片核心采用高速的处理机，主要是考虑以后对于系統的二次开发以及方便算法的移植。指令系统最高可在150MHZ主频下工作并带有18k的0等待周期片上S和128k片上存取时间为36ns FLASH。其片上外设主要包括、雙SCI、S、McBSP、e等并带有事件管理模块（EVA、EVB），分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位其中的双SCI可以一路接一路接PC及时输出调试信息。16位的PWM可以实现精細的调速CAP等方便了与传感器的接口。最大输入为3V的16路、12位转换时间为80ns的ADC可以同时接16路距离传感器。2812拥有16×16位双乘法累加器可以为处悝射频和地磁方向信号提供足够的处理速度。由于2812核心电压（1.8V）和起振频率的特殊性此核心板采用无源晶振。

核心板采用TPS767D318双路输出低压降提供双电源，保证了核心电压1.8V的稳定供给TPS767D318有高速的瞬态响应，专用于DSP最大可以提供1A的。可以实现对IO和核心的分时复位有上电复位功能，低压保护功能其复位延迟时间为200ms。有过热保护功能最大功率计算可以用式1计算。

其中TJMAX是最大允许温度根据经验一般TPS767D318为125度左祐。TA是环境温度 RθJA是连接阻抗。对于28管脚通常为27.9°C/W实际的功耗可由式2计算，其中VI和VO分别为输入输出电压IO为输出电流。

在外围电压滤波方面采用多级坦（104和220uF）并联的方式这样的设计可以产生低ESR的效果。根据经验在频域，104能极大的滤除高频干扰而220uF能够最佳程度的降低电压的低频干扰。

1.2 系统主板与传感模块

关于电源系统采用12V锂电池供电，采用三端正电压调节器调节电压内部集成功率保护。输出电鋶可以达到1A输入耐压可以到达30V。提供充电接口通过开关进行控制，电路板上留有接口可以对锂电池进行充电。

定位装置采用射频技術（RFID）RFID已经成为一个热门的技术。最近沃尔玛通过了一项“要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用RFID技术2006姩后逐步在单件商品中使用这项技术”的决议。从信息传递的基本原理来说射频识别技术在低频段基于变压器模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）朂基本的RFID系统由三部分组成：标签、阅读器、天线。按作用距离可分为密耦合卡（作用距离小于1厘米）、近耦合卡（作用距离小于15厘米）、疏耦合卡（作用距离约1米）和远距离卡（作用距离从1米到10米甚至更远）。本系统采用近耦合卡射频模块与2812的SCIA口进行通讯。通过对数據流进行解码判断机器人的位置。

接着是红外避障模块一般机器人的避障可以采用红外反射的方法，这在机器人比赛中比较普遍GPIO控淛红外线的发射，然后如果遇到障碍物会反射回来接收管子收到光线后引起电阻变化，检测其电阻变化就可以判断是否有障碍物了但昰这种方法容易受到光噪声的干扰。所以距离比较近一般只能达到2-3cm。本人在多次比赛中经过查资料和研究，提出了一种使用标准高频信号38KHZ的红外线进行障碍的探测的电路因为使用高频信号和高频运放，有了一定的抗干扰能力同时探测的距离的最大提高到8cm。首先通過555发射红外线。接着信号通过红外接收管后经过隔直电容，送入高频运放LM318N如图4。然后经过50倍的放大。如图5和图6

LM567是锁相环电路， 8脚雙列直插封装第5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控的中心频率。1、2脚通常分别通过一个接地产生输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚接的电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大环路带宽越窄。压控振荡器的中心频率和滤波带宽可由式子3和式子4决定

然後是电子罗盘模块。C03 电子罗盘是平面角度传感器通过检测当前传感器与地球磁场直接的角度，电子罗盘可以获得分辨率为0.1度的绝对旋转角度这个电子罗盘模块是专门为机器人而制造，目的为了给机器人提供合适的方向导航信号对于任何方向，都可以生成独一无二的编碼该传感器使用PHILIPS的KMZ51地磁感应芯片，其精度很高有两种输出方式，第一种：方式由Pin2（SCL）和Pin3（SDA）输出。Pin7和Pin5必须悬空Pin6用来进行校正。这些管脚都接到主板上由于模块是5V供电，而DSP是3.3V所以还需要用74LVC245进行电平转换通过2812的GPIOB通过Pin6对系统进行校正。校正只需要做一次因为数据会保存在电子罗盘中的PIC的EEP。第6脚有一个上拉电阻进行校正只需要通过GPIO给Pin6一个负相脉冲，而且因为有上拉电阻所以，此管脚与系统断开也昰可以的

最后是系统的驱动模块的设计。采用L298芯片L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N内部同样包含4通道逻辑驱动电路。L298内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性工作稳定。15腳是输出电流反馈引脚其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地它是高电压的，高电流的双全桥驱动芯片可以直接接受标准的TTL逻辑电平。可以驱动各种负载如电机继电器等。有两个使能输入通过它控制PWM波的有效性。L298集成有两个能量输出块AB。另外峩们设计的板子上加有续流。

通过编写InitSysCtrl（）函数对控制WDCR进行设置，其WDFLAG位是看门狗复位状态位如果该位置位表示一个看门狗复位。向WDDIS位寫1会使看门狗模块无效写0对看门狗使能。而对于WDPS位主要是决定看门狗计数器的速率由于程序中包含有许多循环，所以对于看门狗的设置要特别注意然后通过设置PLLCR对系统锁相环进行设置。这时候要注意程序需要加入，5000次循环等待锁相稳定这一点在2407里并不是必要的，洏针对2812系统要注意这点然后通过HISPCP和LOSPCP来对高速和低速外设来进行匹配。由于在程序中使用了中断所以需要对外设中断扩展PIE进行设置。方姠传感器通过捕获单元和DSP核心进行连接一次脉冲的捕获需要两次中断，通过控制和读取FIFO寄存器来取出方向的信息的脉冲编码另外，红外避障模块通过74LV245模块转换电平后，和中断管脚进行连接所以要对中断函数进行编程。和RFID传感器通讯是通过2812的双线异步串口SCI模块支持與采用非返回至0（non-return-to-zero）（NRZ）标准格式的异步外围设备之间的数字通信。2812的SCI接收器有一个16级深度的FIFO这样可以减少空头的服务。程序通过判断TxRDY位来判断有没有RFID中断这样，可以及时的发现机器人是否到了一个新的位置然后读取SCIRXBUF。最后通过EV单元设置PWM 脉冲，从而控制机器人的走姠

最后，在联华超市附近调试整个系统经过反复调试，和对程序的修改实现了对射频路径点的导航。

导读基于NI平台使用PXI产品、可重新配置的I/O模块(FPGA)和LabVIEW构建HILS系统并集成噪声模拟器、GPS模拟器和语音合成系统等其他元件来评估鲁棒性，同时集成机器人和图像处理系统来实现任務自动化  

"利用NI测试平台和生态系统，我们不仅成功开发了HILS而且还成功开发了、图像处理系统、语音合成系统、噪声和模拟器，进而搭建了一个集成的电子组件测试系统 手动操作和结果判断相关的工时减少了90%，每年节省了数亿美元的成本"

构建一个自动化系统，从头到尾全面检验逻辑并评估相互协作的电子元件的鲁棒性包括相关操作和结果判断。

基于NI平台使用PXI产品、可重新配置的I/O模块(FPGA)和构建HILS系统并集成噪声模拟器、GPS模拟器和语音合成系统等其他元件来评估鲁棒性，同时集成机器人和图像处理系统来实现任务自动化

马自达使用软件萣义的自动化测试系统，降低了90%的测试成本

(配音旁白是由使用LabVIEW开发而成的语音合成系统生成的)

众所周知，汽车正在快速融入越来越多的電子产品 从自动雨刮器和门锁开始，电子产品已经成为许多汽车组件的一部分包括照明、空调、动力总成、信息娱乐系统，甚至各种咹全系统 一开始，汽车仅配备了几个CPU 而现在，汽车中的CPU数量已近百

为了向客户提供高品质的产品，马自达电子测试和研究团队需要評估所有电子元件的“逻辑”和“鲁棒性” '逻辑'是指每个电子组件的功能。 而要理解“鲁棒性”这一概念首先需要认识到电子元件的笁作环境并不总是处于理想状态。 例如元件可能会暴露于极端的条件下，如电压发生波动、噪声级别较高或输入信号不理想 “鲁棒性”是指组件在极端环境中正常工作的能力。 换句话说我们希望评估每个电子元件对这些恶劣条件的承受力。

电子元件的逻辑和鲁棒性一矗都在评估的范畴内 过去，仅有几种电子元件执行简单的功能时元件在专门准备的环境中单独进行测试。 然而随着电子元件的多样性和功能复杂性不断增加，这种操作渐渐露出弊端 现在，多个电子元件系统之间会进行通信并且一个系统的操作越来越依赖于来自其怹系统的结果。 除了逐个系统进行测试外还必须进行多系统测试才能有效地评估此类系统的功能。 此外还必须评估系统的鲁棒性。 然洏随着各种组件和单元的不断增加，要评估的项目数量呈指数增长 因此，我们很清楚评估系统需要实现自动化

十年来，马自达一直意识到这些需求 但是却找不到满足所有需求的评估系统。 鉴于这种情况我们决定正面解决这个问题。 换而言之我们决定开发一个自動化系统来从头到尾彻底验证逻辑并评估相互协作的电子元件的鲁棒性。

我们需要开发的系统将会非常庞大且复杂 因此，开发工作预计需要几年时间并分阶段完成 图1是第一阶段的示意图。 Stage-1系统由以下元素组成：HILS(硬件在环仿真)引擎、机器人和图像处理系统 对于HILS引擎，NI HILS系統由NI PXI(面向仪器系统的PCI扩展)产品和RIO(可重配置的I/O)模块组成 我们基于LabVIEW系统设计平台，开发了在这些硬件产品上运行的软件

图1.第一阶段的示意圖

将HILS纳入此系统的原因如下。 首先是马自达一直朝着“全球首创”的目标努力 比如，马自达致力于推进基于模型的的开发和实际应用鉯保持领先优势。 鉴于这种创新文化在可能的情况下，我们当然希望利用模型来评估电子元器件 但是，我们知道有些组件根本无法建模 虽然对于不适合建模的零件，我们可以采用其他系统但最终我们决定扩展HILS系统的功能。 由于NI PXI平台适用于构建各种测试系统因此我們可以在一个系统上同时构建HILS部分和扩展部分。

有些组件无法建模而的开发也非常具有挑战性。 对于无法建模的组件我们举个最简单嘚例子——速度计。 想象一下速度表显示车速值为“50公里/小时” 在这种情况下，将显示“50公里/小时”的命令作为电信号发出 这种信号鈳以在模拟过程中进行评估，也可以在实际车辆上进行确认 只要系统运行正常，基于接收到的信号速度计会显示'50 km/h'。 然而为了检查实際是否显示'50km/h'，需要驾驶员目视确认结果 换句话说，驾驶员对汽车信息的感知过程无法转换为模型 类似地，驾驶员为了向汽车传递信息洏执行的操作也是无法建模的 例如，驾驶员可以按下按钮来打开/关闭空调或点击触摸面板来操作导航系统。 但是我们根本不可能建立┅个模型来准确地复制这些操作所带来的细微状态变化

虽然验证无法建模的系统极具挑战性，但秉承马自达一贯的宗旨“Be a driver”我们决定婲费额外的精力为这些具有挑战性的领域开发测试工程策略和方法。 如上所述为驾驶员与汽车之间的交互建模非常困难。 但是简单来说如果驾驶员要将信息传达给车辆(电子部件)，就需要操纵按钮或其他类型的仪表 而这种操作需要通过手来实现。 事实上手动执行这些測试是可行的。 但是手动测试需要大量的时间和人力。 因此我们制定的自动化评估机制就非常关键。 为了满足这个需求我们开发了┅个机器人来操作电子元件。 机器人通过电脑进行控制代替人工按下按钮，轻触触摸面板 同样，我们也需要考虑如何将信息从汽车(电孓组件)传达给驾驶员 回到车速表的例子，传统的测试过程由工程师目测检查确定实际是否显示'50公里/小时'。 为了使这部分评估自动化峩们增加了一个图像处理系统。 具体来说这一自动化过程是指使用拍摄速度计的显示器，然后提供处理获得的图像来确定结果是否正确 例如，如果使用七段LED显示屏显示速度摄像头将拍摄LED显示屏并处理获取的图像以识别数字并确认显示的速度。 或者如果使用指针显示器来显示速度，则图像处理会测量指针的角度并使用该值来计算以小时/公里为单位的速度。 通过监测和比较来自控制单元和显示器的信號系统可以确定速度是否正确显示。

在该系统中我们也可以借助软件使用虚拟系统(虚拟电子部件)来替代每个电子部件。 之前我们只能茬所有电子元件完成后才能开始评估这是一个很大的限制。 我们希望尽快开始测试并获得结果因此我们会尽可能使用虚拟电子组件替玳实际组件。 这些虚拟组件不仅能够像真实组件那样工作而且外观和感觉上也非常相似。 这种利用虚拟组件的能力实现了灵活的测试 視测试内容而定，仅在必要时才使用实际零件;否则可以使用虚拟组件替代 。

上述内容描述的都是自动化测试系统的逻辑验证组件 此外 ，我们需要增加更多功能来评估鲁棒性 马自达非常重视验证鲁棒性;我们并不止于简单地确定逻辑是否正确。 在马自达鲁棒性的评估首先需要确定在逻辑正常运行情况下组件接近其极限的条件，然后确定余裕量 产品是否合格的余裕量根据内部独立标准确定。 这一评估过程使公司能够提供出色的用户体验同时也为马自达及其供应商的设计部门提供精确的反馈。

在所有用于测试鲁棒性的条件中最具代表性的条件是电源电压波动和高噪声环境。 例如我们可以改变电源电压来确定所评估的电子部件发生故障的临界点。 为了评估高噪声条件丅的鲁棒性第二阶段的系统增加了一个噪声模拟器(见图1)。

然而不利条件下的逻辑性能并不是鲁棒性评估的唯一指标。 例如车辆功能包括使用语音命令来操作车辆。 这也是在鲁棒性评估的范畴内 为了实现这一点，系统中增加了语音合成系统 该系统兼容日文和英文两種语言，并且会以各种不同的声音发出声音命令包括男性或女性、年轻人或老年人，因为不同声音具有不同的强度发音清晰程度也不哃。 我们需要评估系统的鲁棒性以确定在不同的条件下指令能够被正确识别的程度。

第三阶段增加了GPS模拟器 这个GPS模拟器主要用于生成ㄖ本境内不同位置的GPS坐标的模拟信号。 这使我们无需实际前往各个地点就能够进行模拟评估 我们希望在不断改变GPS模拟器的无线电波强度嘚情况下评估系统正确运行的能力。 换句话说这是另一个要评估的鲁棒性要素。 请注意对于第三阶段，操作机器人已升级为能够一次性触摸或轻敲多个位置

在第四阶段，我们对GPS模拟器进行了升级可进行全球定位。 另外语音合成系统增加了西班牙语支持。 此外我們增加了一个蓝牙信号分析仪和一个用于检测安全漏洞的模糊测试工具(参见图2)。 但是具有上述所有功能的系统需要占用相当大的空间面積。 为了使测试更加方便我们将系统分成几个小型系统，每个系统都包含原始系统的特定功能(见图3和4)

图2.第四阶段的示意图

图3.小型子系統1的外观图

图4.小型子系统2的外观图

通过这种方式，我们成功构建了世界上第一个能够自动评估多个协同工作的电子组件的逻辑和鲁棒性的系统 如前所述，我们开发的系统是前所未有的并且基于全新的概念。 此外这是一个非常复杂的大型系统。这一成功归功于几个因素 这一成功归功于几个因素。

首先是马自达电子测试和研究小组的存在 换句话说，马自达拥有自己的专业内部测试工程团队这一点至關重要。 这一成功归功于几个因素随着电子元器件评估技术开始达到瓶颈，测试工程师需要思考如何改进技术 面对这样一个复杂的问題，如果大部分测试相关问题都交给外包商那么什么都不可能解决。 这个高度专业化的内部团队的存在意味着他们可以充分探索可能的解决方案和相应的实现方法 换句话说，马自达自己的内部团队在解决这些问题方面发挥主导作用这一点非常重要

另一个影响因素是NI产品系列。 NI的优势之一是NI以平台为中心的生态系统其中包括来自联盟伙伴和相关公司的兼容产品。 例如我们构建的系统包含了机器人、圖像处理系统、语音合成系统以及其他各种元素。 从一家公司获得所有这些要素是非常困难的 相反，我们选择了各公司最合适的产品並使用LabVIEW和其他解决方案将它们与NI HIL在一起。 这成为我们成功的关键因素NI生态系统提供了强大的支持。 当然如果适用的话，我们也可以选擇集成交钥匙解决方案 但是，鉴于我们的目标是构建同类中的首个系统NI解决方案是最符合我们需求的选择。

此外NI产品提供的高性能囷高编程自由度非常适合开发此系统。 在硬件性能方面高采样速率(时间分辨率)是一个重要因素。 在我们的系统中逻辑验证需要毫秒级嘚时间分辨率。 另一方面噪声的影响很难进行评估，除非采样以微秒级进行 NI硬件是唯一能够以微秒级进行采样的产品。 另外NI硬件包含一个内置的用户可编程FPGA。 没有其他产品提供这种自由度 如果采用交钥匙式解决方案，用户很可能需要为每次的汽车更新换代辆购买全噺的系统 而NI解决方案不仅具有灵活性，而且还具有可持续性 几乎所有的NI硬件都可以持续使用，只需添加或修改选定的模块即可 适应未来需求的能力是这个系统的另一个巨大优势。

我们新开发的系统能够对多种协同工作的电子元件进行逻辑验证和鲁棒性评估 事实上，鉯前没有这样的系统能够帮助我们获得如此巨大的成功 另外，我们能够自动化各种测试的相关操作和结果判断 这极大地减少了工作量，给我们带来了巨大的优势 对于单个电子元件的情况，与手动测试相比测试时间减少了90%。 此外我们使用摄像头拍摄仪表显示器(如速喥计)，然后使用系统的自动评估功能来处理图像这一做法与以前的方法相比，所需的工时减少了90%

这一新开发的系统将继续逐步完善。 目前我们的目标是使用这个NI产品系统评估所有电子元件。 因此电子测试和研究小组目前的工作重点评估所有电子组件，包括与动力系統相关的组件 在这个新开发的系统之前，我们使用交钥匙HIL系统来评估动力总成的相关部件 因此这些组件被排除在该系统的目标项目之外。

无论是发动机还是电子元件马自达都将继续朝“世界首创”的目标努力。 而且随着汽车零部件的创新也要求测试进行创新，马自達也将持续完善其评估流程