摘 要： 針對新型球形title="機器人">機器人驅(qū)動機構(gòu)的特點,，介紹了一種基于DSP的開環(huán)控制器軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法，給出了系統(tǒng)的硬件電路,、開環(huán)控制模型以及軟件控制流程,。
關(guān)鍵詞： 球形機器人 DSP 控制器 開環(huán)控制
球形機器人是最近國內(nèi)外比較熱門的課題。無論是國內(nèi)還是國外,，都有不少成功的例子,。作者在參考了眾多的機器人實例后，提出了獨特的球形機器人驅(qū)動機構(gòu),，即并聯(lián)驅(qū)動機構(gòu),。相比以往的球形機器人驅(qū)動機構(gòu)，該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔,、占用空間小的特點,，但它的控制算法比較復(fù)雜，一般的單片機很難勝任,。本文介紹的系統(tǒng)是以計算能力強的DSP為核心所設(shè)計的新形球形機器開環(huán)控制器,。其相應(yīng)的系統(tǒng)硬件電路、開環(huán)控制模型以及軟件控制流程分述如下,。
1 驅(qū)動機構(gòu)簡介
目前的球型機器人大都采用重力驅(qū)動，即通過某種機構(gòu)改變整個系統(tǒng)的重心,，從而使它按特定的方向運動,。本文所設(shè)計的球形機器人也是依據(jù)這一原理，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,。
該機器人有4個電機,，每個電機帶著一個偏心重塊，按空間對稱方式安裝在球殼內(nèi)部,，并且D1,、D2、D3,、D4 4個電機的回轉(zhuǎn)軸分別都指向球心,。每個電機都帶角度傳感器，用于測量電機的轉(zhuǎn)角,，分別如圖中的S1,、S2、S3,、S4,。當(dāng)電機帶動偏心重塊轉(zhuǎn)動至不同的位置時,，整個系統(tǒng)的重心也會隨之相應(yīng)地改變。球體在新的重心作用下就會向特定的方向滾動,。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計
如圖1的球形機器人系統(tǒng)控制電路的整體方案如圖2所示,。系統(tǒng)由帶DSP的主控制板、采樣電路,、電機驅(qū)動電路,、無線接收模塊和無線發(fā)送模塊組成。當(dāng)主控制板通過無線收發(fā)模塊接收到“啟動”的命令字后,，和采樣電路,、電機驅(qū)動電路協(xié)調(diào)工作，驅(qū)動系統(tǒng)重心至指定位置,。
2.1 主控制板簡介
為了保證控制電路的可靠性,，加快系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，系統(tǒng)采用上海迅特電子有限公司的目標(biāo)板IMEZ2407作為主控制板,。該板是一個DSP的最小系統(tǒng),，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。
從圖3可以看出,，IMEZ2407主要解決TMS320LF2407的周邊必備電路,，如電源模塊、晶振和PLL振蕩電路,、編程電源VCCP(接+5V或地)運行模式MP/MC選擇的跳線,、JTAG接口等。另外板上還帶有1片64KB的SRAM,，用作調(diào)試時的程序運行空間,。調(diào)試完成后，再將程序燒入DSP的Flash程序存儲器中,。
2.2 采樣電路
采樣電路用來采集電機的轉(zhuǎn)角信息,。這里，角度傳感器用無限旋轉(zhuǎn)式的滑動變阻器,。電位測量采用電阻橋方式,。信號放大采用TI公司的INA321儀器放大器。采樣,、放大電路如圖4所示,。圖中，R1~R4取大電阻以降低測量電路的功耗,，R5可以調(diào)節(jié)電阻橋使它達(dá)到平衡,，R6用來微調(diào)放大器的放大倍數(shù)，S為角度傳感器。根據(jù)INA321的數(shù)據(jù)資料,，放大電路的放大倍數(shù)計算公式如下：
A=5+5×(R6+R7)/R8
2.3 電機驅(qū)動電路
系統(tǒng)所使用的電機為普通的直流電機,，并帶有減速器。電機參數(shù)為：額定電壓：5V,。額定電流：80mA,。額定轉(zhuǎn)速：60r/min。
基于以上參數(shù),，作者選擇了LG9110作為電機的驅(qū)動芯片,。電機驅(qū)動電路如圖5所示。
圖中INPUTA和INPUTB接到DSP的2個PWM輸出口上,。MORTOR+和MORTOR-接直流電機的二端,。LG9110的邏輯關(guān)系如表1所示。當(dāng)IA和IB分別為高電平和低電平時,，電機就會轉(zhuǎn)動,，而欲使電機換向，可以通過同時翻轉(zhuǎn)IA和IB的電平值來實現(xiàn),。當(dāng)IA和IB同時為低電平時,，電機二端電壓都為低電平，電機不工作,。
2.4 無線收發(fā)模塊
控制系統(tǒng)的命令傳輸采用無線收發(fā)方式,。發(fā)送端由控制鍵盤、單片機和無線發(fā)送模塊組成,?？刂奇I盤包括“啟動”和“停止”按鈕。當(dāng)按下“啟動”鍵時,，單片機就會通過無線模塊發(fā)送START命令字,；按下“停止”鍵時，單片機發(fā)送STOP命令字,。接收端由接收模塊及串口傳輸接口組成?？梢詫⒔邮盏降臄?shù)據(jù)通過串口發(fā)送給DSP,。DSP控制器在接收到命令字后執(zhí)行相應(yīng)的動作。無線收發(fā)模塊如圖6所示,。
發(fā)射和接收模塊電路是一致的,，只是發(fā)送端的無線模塊由單片機控制，而且有2個命令按鈕控制發(fā)送的數(shù)據(jù),，如圖6(b),。接收端的數(shù)據(jù)接口則連到DSP，如圖6(c)。
3 開環(huán)控制模型
球形機器人的開環(huán)控制模型如圖7所示,。假如適當(dāng)?shù)乜刂?個偏心重塊的運動,，使它們的合質(zhì)心Mc的運動軌跡S在豎直且過球心的行進(jìn)面內(nèi)作勻速圓周運動；如果忽略偏心重塊轉(zhuǎn)動造成的離心力和慣性力,，則球體就會在平面上作直線運動或近似直線的運動,。
該機器人基于上述原理的開環(huán)控制模型如圖8所示。
輸入為給定的軌跡方程,，即圖7中的S,，然后由轉(zhuǎn)角求解器求出各電機的轉(zhuǎn)角，并與實際采樣所得的轉(zhuǎn)角值求差分,，再經(jīng)PID控制器算出占空比和轉(zhuǎn)向,。
基于上述開環(huán)控制模型的控制程序框圖如圖9所示。由于DSP具有強大的處理能力,，使得以DSP搭建的系統(tǒng)能及時,、快速地處理機器人的多種信號。本文所描述的球形機器人控制系統(tǒng),，正是基于DSP處理器的這一特點,，充分運用DSP強大的乘法運算能力，快速地處理機器人的位姿解算和實時控制,，使球形機器人實現(xiàn)直線運動或更復(fù)雜的軌跡運動,。
參考文獻(xiàn)
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