一種新型球形機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種新型球形機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用球形移動機(jī)器人是指一類將運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內(nèi)的系統(tǒng)的總稱。由于這類機(jī)器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)平衡性，同時具有很好的密封性，可以行駛在無人、沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣環(huán)境中，并具有水陸兩棲功能?？蓱?yīng)用于行星探測、環(huán)境監(jiān)測、國防裝備、娛樂等領(lǐng)域。本文介紹的系統(tǒng)是以計(jì)算能力強(qiáng)的DSP為所設(shè)計(jì)的新形球形機(jī)器開環(huán)控制器。

1驅(qū)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡介

一種高效驅(qū)動機(jī)由電機(jī)控制器、電機(jī)、聯(lián)軸器和驅(qū)動輪組成，電機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器與驅(qū)動輪主軸直接聯(lián)接，通過電機(jī)控制器旋鈕調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來控制驅(qū)動輪主軸的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)改變驅(qū)動機(jī)的速度和運(yùn)量的目的。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，工作效率高，適用范圍廣，節(jié)省電能，經(jīng)濟(jì)效益顯著。其特征在于：電機(jī)是調(diào)速電機(jī)，電機(jī)控制器是調(diào)速電機(jī)控制器，電機(jī)固定在驅(qū)動機(jī)的底架上，電機(jī)控制器與電機(jī)用導(dǎo)線聯(lián)接，電機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器與驅(qū)動輪直接聯(lián)接。

目前的球型機(jī)器人大都采用重力驅(qū)動，即通過某種機(jī)構(gòu)改變整個系統(tǒng)的重心，從而使它按特定的方向運(yùn)動。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

該機(jī)器人有4個電機(jī)，每個電機(jī)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、D44個電機(jī)的回轉(zhuǎn)軸分別都指向球心。每個電機(jī)都帶角度傳感器，用于測量電機(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。

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)動電路、無線接收模塊和無線發(fā)送模塊組成。當(dāng)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(jī)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(jìn)度，IMEZ2407板是一個DSP的系統(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(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)試時的程序運(yùn)行空間。

2.2采樣電路

采樣電路用來采集電機(jī)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(dá)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。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。

LG9110電機(jī)的驅(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(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，電機(jī)就會轉(zhuǎn)動，而欲使電機(jī)換向，可以通過同時翻轉(zhuǎn)IA和IB的電平值來實(shí)現(xiàn)。

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(jī)和無線發(fā)送模塊組成?？刂奇I盤包括“啟動”和“停止”按鈕。當(dāng)按下“啟動”鍵時，單片機(jī)就會通過無線模塊發(fā)送START命令字；按下“停止”鍵時，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)通過串口發(fā)送給DSP。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(jī)控制，而且有2個命令按鈕控制發(fā)送的數(shù)據(jù)，如圖6。接收端的數(shù)據(jù)接口則連到DSP，如圖6。

3開環(huán)控制模型

球形機(jī)器人的開環(huán)控制模型如圖7所示。假如適當(dāng)?shù)乜刂?個偏心重塊的運(yùn)動，使它們的合質(zhì)心Mc的運(yùn)動軌跡S在豎直且過球心的行進(jìn)面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)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(yùn)動或近似直線的運(yùn)動。

該機(jī)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(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、快