基于MSP430的機器人舵機控制軟硬件設計與開發(fā)開題報告

1、北京石油化工學院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題目名稱：基于MSP430的機器人舵機控制 軟硬件設計與開發(fā) 題目性質： 設 計 型 學生姓名： 專 業(yè)： 測控技術與儀器 學 院： 信息工程學院 年 級： 2010級 指導教師： 2014年3月7日一、 選題背景、研究意義及文獻綜述1、選題背景機器人舵機的概念起源于對”舵模航機”的改進。長期在各種教育娛樂機器人上大量使用的“舵模航機”可以實現(xiàn)位置伺服的功能；由于它具有高度集成、標準統(tǒng)一、控制簡單、價格較低等特點，因此廣泛使用在各類教育娛樂機器人上。但是，“航模舵機”畢竟是用于航模的產品，用作機器人關節(jié)伺服單元，有控制精度不高、無法整周旋轉、沒有反饋

2、信息、響應較慢、線纜雜亂等明顯的不足。舵機控制系統(tǒng)是機器人中重要的組成部分，它的性能好壞直接決定著機器人的實時操舵性能。因此，舵機控制系統(tǒng)也隨著機器人的不斷發(fā)展，取得了長足的進步。對于舵機運動控制器來講，主要任務就是通過總線接收嵌入式計算機的控制指令，根據(jù)操舵指令控制舵機的正反轉，實現(xiàn)位置控制。舵機，顧名思義，大海航行靠舵手，舵機早期是應用在航模中控制方向的，在航空模型中，飛行器的飛行姿態(tài)是通過調整發(fā)動機和各個控制多面來實現(xiàn)的，后來有人發(fā)現(xiàn)這種機器的體積小、重量輕、扭矩大、精度高，由于具備了這樣的優(yōu)點，很適合應用在機器人身上作為機器人的驅動。2、研究意義機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置。在機器人

3、系統(tǒng)中,采用PWM波信號控制的舵機是重要的執(zhí)行機構,它是機器人控制動作的動力來源。為便于系統(tǒng)擴展和升級,在飛控系統(tǒng)中往往采用分布式策略,將舵機的控制部分作為一個獨立單元進行設計,稱為舵機控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)產生PWM波的方法是通過大量的分立原件來實現(xiàn)的,所產生的脈沖頻率和寬度往往不是很準確,很難做到對舵機的精確控制。另外,利用CPLD或FPGA產生PWM波已在很多場合得到應用,依靠CPLD或FPGA特有的并行處理能力和大量的I/O接口,可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作,但CPLD或FPGA生成PWM波時,并不具備事務處理能力,實際應用中還需要MCU配合工作,加之成本高,開發(fā)設備昂貴,極大的限制

4、了它的應用范圍。由于單片機具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度高、價格低廉等特點,用它產生PWM波在實際中得到了廣泛應用。的利用MSP430單片機利用自帶的定時器產生PWM波的方法,成本低,性能穩(wěn)定,并成功應用于實踐。3、文獻綜述最早出現(xiàn)于商代的船尾舵是中國古代在造船和航行技術方面的一項重大發(fā)明，其前身為船尾舵槳，在商朝已經使用，用來控制船只的航行方向。出土于長沙、廣州和湖北江陵的漢代船只模型都有一個共同點，就是船尾都設有槳手，用來控制和操縱船的航行方向，這種設于尾部的槳通常稱為操縱槳，槳柄增長就成為艄（槳舵合一），用以控制船的航向。操縱槳在長期應用中增加了槳葉的面積，便于控制船的方向，然后逐漸產生了

5、真正的舵。船尾舵的出現(xiàn)，在船舶發(fā)展史上是一件有重大意義的事件，舵結合風帆和指南針就成為確保船只安全航行的三大條件。我國宋代以后出現(xiàn)的性能優(yōu)良的平衡舵，它把一部分舵面積分布在舵柱的前方，因而縮短了舵壓中心與舵軸的距離，減少轉舵力矩，使操縱更加輕便。同時，還把舵面做成扁闊的形狀，以增大舵面面積，提高舵的作用能力。類似的平衡舵，歐洲直到 18 世紀末、19 世紀初才采用。采用平衡舵，至今仍是船舶設計中降低轉舵力矩的一個最普遍和最有效的措施。早期的舵機是人力直接操縱或人力驅動增力裝置操縱的，船體較大或航行遠洋時，如果遇到暴風雨，就會出現(xiàn)操舵困難甚至有船毀人亡的危險。 十八世紀瓦特發(fā)明蒸汽機后，船舶由帆

6、船時代進入動力船舶時代，船舶越造越大，這對舵機提出了大功率和操舵位置由船艉向船橋移動而產生遠距離操縱的要求，出現(xiàn)了蒸汽式舵機和機械式遠距離操舵裝置，這種舵機一直應用到二戰(zhàn)前后。電氣的發(fā)明為舵機帶來了新的突破，出現(xiàn)了電動舵機和電動液壓舵機。其中電動液壓舵機具有功率大，結構簡單，易于控制等優(yōu)點，目前幾乎全部動力船都采用這種操舵方式。遠距離操舵裝置也由機械式向易于操作的電子+液壓式發(fā)展?，F(xiàn)代舵機主要有全電舵機、電動液壓舵機兩種。全電舵機受功率的限制主要應用在小型漁船和游船上，而在大型艦船上均采用電動液壓舵機。電動液壓舵機按照轉舵機構可分為雙柱塞缸拉普遜滑塊式、四柱塞缸滾輪式、擺缸式和轉葉式等四種舵機

7、形式。在船用機械中舵機液壓化的歷史是比較悠久的,日本川崎重工1從1942年開始生產電動液壓舵機,目前已能制造和出售從印總噸小型漁船用到600000載重噸油船用的各種型號的舵機.在此期間進行了從低于加kgf/cm得2kgf/cm的高壓化、油船為中心的大型船(VLCC與ULCC級)吊桿的大型化和小型舵機遙控裝置的研制工作.最近又研制了與強化舵機規(guī)范相應的新系統(tǒng)舵機和以船舶節(jié)能為目的的連續(xù)控制舵機.舵機在機器人的應用上也取得了非常大的發(fā)展。嘉應學院2，基于單片機AT89LP4052的舵機控制器的設計。針對機器人舵機產生的PWM的穩(wěn)定和方便需求，提出利用AT89LP4052內部集成的PWM單元來提供控

8、制信號。具體介紹了舵機的控制方法與舵機控制器系統(tǒng)的設計。通過滑動條來改變占空比系數(shù)。實驗證明了單片機輸出的PWM波形。該PWM輸出用于控制GWS-03T舵機輸出轉角,舵機轉角能平穩(wěn)該變,輸出準確。河南工業(yè)大學機器人研究所3, 一種基于IIC總線通訊的機器人舵機系統(tǒng)的設計針對目前市場上己經出現(xiàn)的以UART串口通信作為主從設備間數(shù)據(jù)交互方式的機器人舵機所存在的通訊指令編程復雜,數(shù)據(jù)交換量大,無法自動仲裁等問題,本文介紹了一種以護C總線取代UART通訊模塊的機器人舵機系統(tǒng)的設計,并嘗試使用一種位置和轉速分時控制的方法來解決單片機同時對位置和速度兩項參量進行數(shù)字PID控制時,由于計算量和內存開銷量過大

9、造成的程序運行不穩(wěn)定等問題。東南大學機械工程學院4，對小型多自由度機器人舵機群控制系統(tǒng)設計。針對小型多自由度機器人關節(jié)控制的需求,提出一種高精度多路PPM信號生成方法。具體介紹了系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)方法。對多路PPM信號的生成方法和數(shù)據(jù)排序算法等系統(tǒng)的關鍵部分進行了詳細的闡述。測試結果表明,系統(tǒng)生成的24路PPM信號時間精度可達2us,精度誤差小于0.2 us 。中國科學技術大學精密機械與精密儀器系5，基于AVR的蛇形機器人舵機控制。以蛇為模型簡化為多關節(jié)的蛇形機器人,是以舵機作為關節(jié)連接件.提出了利用AT-mega16L嵌入式微處理器產生6路PWM信號控制舵機的方法,并利用控制函數(shù)實現(xiàn)了

10、舵機的5種調速,完成了蛇形機器人的蜿蜒運動.博創(chuàng)科技6開發(fā)的 proMOTION CDS 系列機器人舵機，解決了傳統(tǒng)舵機用在機器人上的各種問題，同時繼承了傳統(tǒng)舵機的各種優(yōu)勢。CDS5500 機器人舵機的主要特色（與航模舵機對比）控制精度高。位置伺服控制分辨率可達 0.3 度。響應速度快。響應時間可達 2ms，而傳統(tǒng)航模舵機為 20ms。通過串行總線控制，可最多連接數(shù)百個單元；每個單元均具有位置、速度、力矩等反饋，用CDS 系列舵機搭建的機器人可以用人工示數(shù)來設定動作；即用戶用手調整機器人的各個關節(jié)姿態(tài)，機器人舵機能夠自動記錄位置、速度等參數(shù)，并由用戶播放。不再需要一個關節(jié)一個關節(jié)地設置參數(shù)，不

11、再需要設置參數(shù)后再觀察關節(jié)是否到位、參數(shù)是否合適。能整周旋轉，適合用在機器人關節(jié)上，也可作為輪式機器人的動力驅動。具有強大的保護功能?？梢韵拗齐娏?、溫度等參數(shù)，如果溫度過高等可以報警或自動停機，防止損壞。CDS5500 機器人舵機的主要特色（與韓國機器人舵機7對比）運行速度快。韓國 AX12+的最高轉速為 50rpm，博創(chuàng) CDS5500 為 72rpm。兼容傳統(tǒng)舵機尺寸和接口。CDS5500 可以直接替換傳統(tǒng)舵機，將使用傳統(tǒng)舵機的機器人升級為采用機器人舵機；而 AX12+結構和通訊方式不兼容傳統(tǒng)舵機，用戶需要對結構和控制器進行大量修改。價格較低。CDS5500 的零售不含稅單價 240RMB

12、（含稅價 290RMB）。最近幾年國內機器人開始快速發(fā)展，很多高校、中小學在進行機器人技術教學。小型的 機器人、模塊化的機器人、組件式機器人是教學機器人的首選。在這些機器人產品中，舵機是最關鍵、使用最多的部件。舵機接受一個簡單的控制指令就可以自動轉動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關節(jié)型機器人產品上使用。仿人型機器人就是舵機運用的最高境界。未來機器人舵機由于計算機，物聯(lián)網，機械，控制等各個領域的飛速發(fā)展。控制器會越來越可靠，精準，舵機的體積也會越來越小。操作，控制會越來越簡便，越來越先進。綜上所述，目前在機器人舵機方面從事研究的專家和學者比較多，他們提出的有些控制方案也比較成熟，但是針對不

13、同硬件結構和控制精度的要求，其控制的方案也不盡相同，需要針對自身特點提出有針對性的控制方案方案來實現(xiàn)對精確、實用控制的目的。二、研究的基本內容，擬解決的主要問題 2.1主要研究以下方面的內容：1、機器人舵機系統(tǒng)方案設計2、高精度多通道PWM信號生成方法3、機器人舵機的硬件電路設計、制作4、機器人舵機的軟件調試5、機器人舵機的硬件搭建與調試2.2擬解決的主要問題：1、控制方案和硬件的選擇2、編程語言的選擇與實現(xiàn)3、舵機控制器接口設計4、機器人舵機的功能實現(xiàn)三、研究步驟、方法 1、上網查找相關的資料，了解國內外的研究情況。2、在圖書館查找期刊、雜志等資料，設計能實現(xiàn)要求功能的硬件電路，然后對硬件電

14、路進行仿真與調試。3、確定控制算法，編寫控制主程序，以及各模塊功能的控制程序，并配合所用硬件進行軟硬件調試運行。4、系統(tǒng)功能測試及軟件程序修改。四、研究工作進度第一周 熟悉題目、查閱文獻資料 第二周 調研，資料收集第三周 調研，資料收集第四周 控制方案論證、寫開題報告第五周 系統(tǒng)總體分析設計第六周 系統(tǒng)硬件詳細設計第七周 系統(tǒng)硬件詳細設計與仿真、調試第八周 控制算法設計第九周 系統(tǒng)軟件詳細設計、上機編程第十周 上機編程、調試第十一周 與硬件系統(tǒng)聯(lián)機調試第十二周 系統(tǒng)功能測試第十三周 初步驗收，測試第十四周 測試，修改第十五周 驗收第十六周 編寫論文五、 要參考文獻1 徐玉韓 基于AVR的舵機控制器設計 2 吳華波 基于單片機AT89LP