基于DSP的新型球形機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)

1、    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

2、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

3、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

4、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，R1R4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)/R82.3 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