基于DSP的仿人機(jī)器人運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)

1、基于dsp的仿人機(jī)器人運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)機(jī)器人教研室最新研制的仿人步行機(jī)器人,其內(nèi)部各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1所示。圖1 機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)暗示圖此機(jī)器人共有36 個(gè)自由度,分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節(jié)。全部軸系均由 脈沖信號驅(qū)動控制,運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對這些關(guān)節(jié)軸系舉行控制,詳細(xì)由各底層控制器實(shí)現(xiàn)。囫圇控制系統(tǒng)采納分布式控制,在結(jié)構(gòu)上可分為3 個(gè)層次,2 所示。圖2 運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.1 主控計(jì)算機(jī)模塊主控計(jì)算機(jī)就是控制系統(tǒng)的“大腦”和司令部,負(fù)責(zé)囫圇系統(tǒng)的在線運(yùn)動規(guī)劃、動作及運(yùn)動控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機(jī)交互等功能。主控計(jì)算機(jī)要求體積小,運(yùn)算速度快,滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求,通常

2、采納高性能小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它通過can 接口卡銜接到通信總線上,與各底層控制器相連并交互信息。1.2 通信模塊機(jī)器人控制的信息量大,對通信方面的要求很高,要保證各種信息在控制系統(tǒng)中準(zhǔn)時(shí)精確的傳輸,通信工具的挑選非常重要,該文選用當(dāng)前流行的can 總線作為通信標(biāo)準(zhǔn)。can (controller area net-work) 總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線,也是目前為止惟一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。相對于普通通信總線,它的數(shù)據(jù)通信具有突出的牢靠性、實(shí)時(shí)性和靈便性,可以滿足文中的設(shè)計(jì)要求。詳細(xì)銜接方式為:主控計(jì)算機(jī)通過can 總線接口卡銜接到總線上,各底層控制器通過總線掛接到總線上。只要全部器件

3、都遵守相同的通信協(xié)議,就可以穩(wěn)定牢靠的舉行信息傳輸。1.3 底層控制器模塊控制器處于囫圇控制系統(tǒng)的最底層,主要用來控制各運(yùn)動關(guān)節(jié)軸系的詳細(xì)執(zhí)行過程。控制器接收主控計(jì)算機(jī)的控制指令對各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系舉行控制,同時(shí)把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)大回路反饋,便于主控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃,統(tǒng)一管理?？刂破魇青駠骺刂葡到y(tǒng)的核心,也是該文討論的重點(diǎn),它的性能挺直關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動能力。2 控制器具體設(shè)計(jì)基于dsp 的控制器詳細(xì)結(jié)構(gòu)3 所示。囫圇控制器按照結(jié)構(gòu)和功能可分為3 部分:主處理器與外圍器件單元、反饋與執(zhí)行單元、通信單元,各部分3 中虛線所示。圖3 dsp 控制器結(jié)構(gòu)2.1 主處理器與外圍器件單元dsp主處

4、理器是囫圇控制器的核心,其運(yùn)算速度、對信息的處理能力等挺直影響控制器的性能。選用ti 公司的tms320lf2407a 芯片,它是ti 家族c2000系列中的高檔產(chǎn)品,集實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)于一身,十分適用于工業(yè)控制。其主要特點(diǎn)有:a.3.3 v,功耗極低,且具有3 種低功耗模式。b.內(nèi)部采納哈佛結(jié)構(gòu)體系,程序與數(shù)據(jù)存儲器分開,專用的程序總線和數(shù)據(jù)總線舉行拜訪,取指和執(zhí)行可同時(shí)舉行,有效提高了存取速度。c.流水線命令技術(shù),多條命令可同時(shí)舉行,平均每條命令大約只需一個(gè)命令周期,大大提高了命令執(zhí)行速度,命令周期可達(dá)ns級,在40mhz 主頻下每條命令只需25ns。d.專用硬件乘法器,運(yùn)算速度大

5、大提高,運(yùn)算能力顯然增加。e.地址和數(shù)據(jù)總線都是16位,片內(nèi)有高達(dá)32k的flash程序存儲器,2.5k字的數(shù)據(jù)/ 程序ram,544字雙端口ram (daram) , 2k字的單端口ram(saram) ,外部存儲器可擴(kuò)展64k字的程序存儲器空間、64k字的數(shù)據(jù)存儲器空間和64k字的i/o空間。f.自帶定時(shí)器、串行通信接口(sci) 模塊、16 位串行外設(shè)接口( spi) 模塊、sci/ spi 引導(dǎo)rom、16 通道的10 位 轉(zhuǎn)換器、5 個(gè)外部中斷、基于鎖相環(huán)(pll) 的時(shí)鐘發(fā)生器、41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/ 輸出(gpio) 引腳。g.2 個(gè)大事管理器模塊,每個(gè)大事管理器包括

6、2個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位脈寬調(diào)制(pwm) 通道、可編程的pwm 死區(qū)控制、3個(gè)外部大事定時(shí)捕捉單元、片內(nèi)光電接口。h.內(nèi)部帶有can2.0b 控制器模塊。可以看出,tms320lf2407a 的功能非常強(qiáng)大,其本身就是一個(gè)自立的小型控制系統(tǒng),再加以適當(dāng)?shù)耐鈬骷?就可以實(shí)現(xiàn)越發(fā)復(fù)雜的控制功能。尤其是它的兩個(gè)大事管理器的功能十分強(qiáng)大,徹低是為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的。tms320lf2407a 通過位置實(shí)時(shí)監(jiān)控各關(guān)節(jié)軸系的運(yùn)行狀況,并通過總線與主控計(jì)算機(jī)交互信息。利用其多個(gè)pwm 脈沖通道挺直產(chǎn)生控制軸系需要的pwm 脈沖信號;其控制器模塊可以挺直與主控計(jì)算機(jī)舉行通信而不需要增強(qiáng)can 總線控制

7、器。tms320lf2407a 的軟件開發(fā)也非常簡單,可以反復(fù)編程。只要在其專用的集成開發(fā)環(huán)境ccs(code composer studio) 中編譯好程序,用一根下載線通過標(biāo)準(zhǔn)的jtag接口就可以把程序燒錄到dsp 的程序存儲器中,還可以在線修改和調(diào)試。囫圇過程容易便利,只需一根下載線就可完成,大大簡化了軟件的開發(fā)過程,顯然提高了開發(fā)效率。同時(shí)外部看門狗電路孩可以對控制器電壓舉行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)電壓浮現(xiàn)異樣快速復(fù)位主處理器。外部存儲器中存放控制算法所需的須要參數(shù),通過spi 串行外設(shè)接口與tms320lf2407a 相連。2.2 反饋與執(zhí)行單元光電碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成兩路寬度相同但

8、相位相差90的脈沖信號,脈沖的數(shù)目與軸系的轉(zhuǎn)角成正比,相位差的符號代表了軸系轉(zhuǎn)動的方向。因此,通過對兩路脈沖舉行計(jì)數(shù)就可以得到軸系的實(shí)際位置。脈沖信號經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)后的信息送入dsp主處理器。這里沒有用法dsp 舉行計(jì)數(shù),一是為了節(jié)約dsp 的資源,使其可以把更多的時(shí)光用于計(jì)算和其他控制中去;二是可以提高控制器的靈便性,不用對主處理器舉行改動就可以轉(zhuǎn)變控制軸系的數(shù)目。脈沖計(jì)數(shù)器選用流行的 器件,其強(qiáng)大的功能對提高控制器的性能有很大的協(xié)助,同時(shí)還可以作為譯碼電路的一部分為主處理器提供譯碼信號。主處理器對接收的軸系位置信息舉行計(jì)算和分析,結(jié)合新的控制指令產(chǎn)生相應(yīng)的p

9、wm 脈沖控制信號,經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給執(zhí)行軸系控制軸系的運(yùn)行。2.3 通信單元主處理器通過can總線與主控計(jì)算機(jī)舉行通信,接收主控計(jì)算機(jī)的指令并把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī), 實(shí)現(xiàn)更高一級的反饋控制。dsp 通過can總線接收器銜接到總線上,為提高抗干擾能力,中間需要舉行光電隔離。囫圇控制器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,硬件實(shí)現(xiàn)也很容易,但功能非常強(qiáng)大。每個(gè)控制器可以同時(shí)控制612個(gè)軸系,可以按照實(shí)際狀況舉行調(diào)整。3 控制流程與分析囫圇控制系統(tǒng)的工作過程4 所示。圖4 控制系統(tǒng)流程詳細(xì)流程為:主控計(jì)算機(jī)離線規(guī)劃好數(shù)據(jù),系統(tǒng)開頭運(yùn)行并完成初始化工作;主控計(jì)算機(jī)向底層控制器發(fā)送控制指令,同時(shí)底層控制器對

10、各執(zhí)行軸系舉行位置采樣,并把兩者結(jié)合在一起舉行分析,通過特定的控制算法生成相應(yīng)的pwm 控制信號,經(jīng)功率放大后送執(zhí)行軸系,同時(shí)把底層軸系的運(yùn)行狀況上傳給主控計(jì)算機(jī),主控計(jì)算機(jī)按照新的狀況再產(chǎn)生新的指令發(fā)送給各控制器,如此反復(fù)。期間還要不斷查詢是否有中斷產(chǎn)生,假如有中斷則轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序,主要是用來處理一些異樣狀況;若有結(jié)束指令產(chǎn)生則結(jié)束囫圇運(yùn)動過程。這實(shí)際上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過程,底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間舉行小循環(huán)反饋,主控計(jì)算機(jī)通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間舉行大回路反饋,這樣可以使機(jī)器人具有更多的“智能”,更好的舉行離線實(shí)時(shí)控制,這也是機(jī)器人朝智能化方向進(jìn)展的一條重要途徑。4 結(jié) 論文中設(shè)計(jì)的控制器,采納dsp作