基于DSP 的新型球形機器人控制器設(shè)計
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)進度，系統(tǒng)采用上海迅特電子有限公司的目標板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?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。
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