基于DSP 的新型球形機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

球形機(jī)器人是最近國(guó)內(nèi)外比較熱門(mén)的課題。無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都有不少成功的例子。作者在參考了眾多的機(jī)器人實(shí)例后，提出了獨(dú)特的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即并聯(lián)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。相比以往的球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、占用空間小的特點(diǎn)，但它的控制算法比較復(fù)雜，一般的單片機(jī)很難勝任。本文介紹的系統(tǒng)是以計(jì)算能力強(qiáng)的DSP為核心所設(shè)計(jì)的新形球形機(jī)器開(kāi)環(huán)控制器。其相應(yīng)的系統(tǒng)硬件電路、開(kāi)環(huán)控制模型以及軟件控制流程分述如下。
1  驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介
　　目前的球型機(jī)器人大都采用重力驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)某種機(jī)構(gòu)改變整個(gè)系統(tǒng)的重心，從而使它按特定的方向運(yùn)動(dòng)。本文所設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人也是依據(jù)這一原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

　　該機(jī)器人有4個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)帶著一個(gè)偏心重塊，按空間對(duì)稱(chēng)方式安裝在球殼內(nèi)部，并且D1、D2、D3、D4 4個(gè)電機(jī)的回轉(zhuǎn)軸分別都指向球心。每個(gè)電機(jī)都帶角度傳感器，用于測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)角，分別如圖中的S1、S2、S3、S4。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)偏心重塊轉(zhuǎn)動(dòng)至不同的位置時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的重心也會(huì)隨之相應(yīng)地改變。球體在新的重心作用下就會(huì)向特定的方向滾動(dòng)。
2  控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　如圖1的球形機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、無(wú)線接收模塊和無(wú)線發(fā)送模塊組成。當(dāng)主控制板通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收到“啟動(dòng)”的命令字后，和采樣電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路協(xié)調(diào)工作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重心至指定位置。

2.1 主控制板簡(jiǎn)介
　　為了保證控制電路的可靠性，加快系統(tǒng)的開(kāi)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(gè)DSP的最小系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)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(shí)的程序運(yùn)行空間。調(diào)試完成后，再將程序燒入DSP的Flash程序存儲(chǔ)器中。
2.2 采樣電路
　　采樣電路用來(lái)采集電機(jī)的轉(zhuǎn)角信息。這里，角度傳感器用無(wú)限旋轉(zhuǎn)式的滑動(dòng)變阻器。電位測(cè)量采用電阻橋方式。信號(hào)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(cè)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(lái)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(jì)算公式如下：
　　A=5+5×(R6+R7)/R8

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
　　系統(tǒng)所使用的電機(jī)為普通的直流電機(jī)，并帶有減速器。電機(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

　　圖中INPUTA和INPUTB接到DSP的2個(gè)PWM輸出口上。MORTOR+和MORTOR-接直流電機(jī)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(shí)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而欲使電機(jī)換向，可以通過(guò)同時(shí)翻轉(zhuǎn)IA和IB的電平值來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)IA和IB同時(shí)為低電平時(shí)，電機(jī)二端電壓都為低電平，電機(jī)不工作。

2.4 無(wú)線收發(fā)模塊
　　控制系統(tǒng)的命令傳輸采用無(wú)線收發(fā)方式。發(fā)送端由控制鍵盤(pán)、單片機(jī)和無(wú)線發(fā)送模塊組成?？刂奇I盤(pán)包括“啟動(dòng)”和“停止”按鈕。當(dāng)按下“啟動(dòng)”鍵時(shí)，單片機(jī)就會(huì)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送START命令字；按下“停止”鍵時(shí)，單片機(jī)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(guò)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(dòng)作。無(wú)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(wú)線模塊由單片機(jī)控制，而且有2個(gè)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(kāi)環(huán)控制模型
　　球形機(jī)器人的開(kāi)環(huán)控制模型如圖7所示。假如適當(dāng)?shù)乜刂?個(gè)偏心重塊的運(yùn)動(dòng)，使它們的合質(zhì)心Mc的運(yùn)動(dòng)軌跡S在豎直且過(guò)球心的行進(jìn)面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)；如果忽略偏心重塊轉(zhuǎn)動(dòng)造成的離心力和慣性力，則球體就會(huì)在平面上作直線運(yùn)動(dòng)或近似直線的運(yùn)動(dòng)。

　　該機(jī)器人基于上述原理的開(kāi)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(jī)的轉(zhuǎn)角，并與實(shí)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(kāi)環(huán)控制模型的控制程序框圖如圖9所示。由于DSP具有強(qiáng)大的處理能力，使得以DSP搭建的系統(tǒng)能及時(shí)、快速地處理機(jī)器人的多種信號(hào)。本文所描述的球形機(jī)器人控制系統(tǒng)，正是基于DSP處理器的這一特點(diǎn)，充分運(yùn)用DSP強(qiáng)大的乘法運(yùn)算能力，快速地處理機(jī)器人的位姿解算和實(shí)時(shí)控制，使球形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)或更復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)。