一種自平衡人形機器人動作控制器的設計和實現(xiàn)-設計應用

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移動式機器人在各行各業(yè)具有廣泛的應用，而輪式移動機器人由于具有結構簡單、可控性強、成本低等優(yōu)點，成為移動式機器人研究的一個主要方向。自平衡機器人采用水平布置的兩輪結構，本身是一個不穩(wěn)定體。也就是說，自平衡機器人在靜止狀態(tài)下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒；而在運動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略使它達到動態(tài)平衡。

由于自平衡機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結構靈活性，國內(nèi)外機器人愛好者設計了多種結構、外觀各異的自平衡機器人，嘗試采用各種控制策略使其達到自平衡控制。通常這類機器人采用姿態(tài)傳感器檢測機器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當前機器人姿態(tài)控制伺服電機驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使機器人保持平衡。該方式制作的自平衡機器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。為解決機器人動作控制而設計的，它將主處理器發(fā)出任務處理命令分配到3個16位超低功耗單片機（MSP430F149）上去執(zhí)行，實現(xiàn)多層次的控制管理。該人形機器人具有多關節(jié)，多自由度，自平衡的控制需求，需要動作控制器在機器人系統(tǒng)控制中起到關鍵性的作用。

1動作控制器的設計

1.1體系結構

自平衡人形機器人需要獲取不可預知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進行綜合運算并及時進行自身姿態(tài)的調(diào)整。機器人的這種行為特點決定了機器人的整體控制結構要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結構的硬件實現(xiàn)。

同時，在圖1中可見從機器人主控制器到執(zhí)行元件（舵機）之間，有一層動作控制器的結構。這一層結構的任務是實現(xiàn)控制命令到舵機控制信號之間的功能轉(zhuǎn)換，這種體系結構的設計，就是借鑒計算機系統(tǒng)結構中的分層結構體系思想。采用這種分層的結構，實現(xiàn)了軟件和硬件、命令和動作的相對隔離。其突出的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對下行設備只負責發(fā)送指令，對于硬件的復雜的操作時序，由動作控制器負責產(chǎn)生。

1.2實現(xiàn)過程

1.2.1硬件實現(xiàn)

為滿足機器人整體控制體系結構中指令到執(zhí)行的層次性要求，動作控制器需要完成命令解析，信號驅(qū)動等任務。如圖2描述了動作控制器內(nèi)部的結構，其主要由串行總線、3個可并行工作的16位單片機、信號驅(qū)動部分構成。這種結構能夠從總線接收命令，單片機進行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅(qū)動放大，從而分別實現(xiàn)對執(zhí)行舵機的控制。圖3為動作控制器中一個單片機工作模塊的硬件原理圖。

MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64K,還可以外擴展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。由于為FLASH型，則可以在線對單片機進行調(diào)試和，且JTAG口直接和FET（FLASHEMULATIONTOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強電干擾運行不受影響，適應工業(yè)級的運行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動控制的設備。我們相信MSP430單片機將會在工程技術應用中得以廣泛應用，而且，它是通向DSP系列的橋梁，隨著自動控制的高速化和低功耗化。

采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動作控制器的設計方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機也沒出現(xiàn)死機或跑飛的現(xiàn)象。

MSP430F149輸出為3.3VTTL電平，而舵機控制信號要5VTTL電平，在實際電路設計中要進行電平轉(zhuǎn)換?？紤]到舵機的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。

舵機動態(tài)工作時，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實驗表明：由于舵機瞬時供電不足，致使舵機力矩不夠，運動不能達到預先的姿態(tài)效果，在反復探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時大電流，由于舵機數(shù)量大，設計時在舵機電源處并接大容量電容，總容量0.22F×6.正常小電流工作時，電容被充電處于飽和，當需要瞬時大電流時，電容能快速放電，從而保證舵機正常穩(wěn)定的工作。

3個MSP430F149分別控制部分關節(jié)上的舵機，這要求3個MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。

1.2.2軟件實現(xiàn)

脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

動作控制器的軟件設計，是以硬件為基礎，接收主控制器的命令，對命令進行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機進行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實現(xiàn)流程。

機器人的動作方式，方向，幅度等全部是由主控制器通過對外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出，這種輸出是基于命令格式的，而機器人終的一切行為都是一系列舵機的配合運轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行，這其中就是動作控制器起到了關鍵作用。

基于上述要求，動作控制器的首要任務就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機通信的模式，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議（每個從機都具有一個獨立的地址），而是對動作控制器上的3個MSP430F149定義完全相同的地址，這樣就會使其接收到完全相同的命令。這樣進行設計，原因在于要保證舵機響應的同時性，即是機器人動作的協(xié)調(diào)性提出的要求。如表1示例了主控制器與動作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個數(shù)組序列，動作控制器上的每個MSP430F149都能完全接收到全部序列，而每個MSP430F149根據(jù)預先定義只使用這個序列中特定的子序列，這個子序列就是對應于這個MSP430F149所控制的舵機的命令，這樣就可以保證同時性。

動作控制器的終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA、TB模塊的寄存器實現(xiàn)的。在解析函數(shù)進行一系列的解析運算后，產(chǎn)生出各舵機所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應的寄存器中，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。

2實驗及結論

根據(jù)文中提出的動作控制器的設計思想與方法，制作出機器人動作控制器。按照設計的基本思想對動作控制器進行測試，測試中采用一個MSP430F425作為機器人主控制器，下行控制一個十二個關節(jié)的簡易人形機器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機器人的步態(tài)，同時根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機動作命令。

實驗中，首先實測舵機的精度，通過向特定定時器通道預裝不同值，測量舵機響應角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機響應角度方程。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進行了線性擬合。

表2為測試機器人上一處關節(jié)的舵機測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：

舵機實際角度α=(X-3000)／20+75．5運用擬合出的方程進行命令到舵機角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在舵機的性能范圍內(nèi)（舵機的精度為0.5°~1°），控制是的。

同時，在舵機響應的及時性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機響應開始運動共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時間段。

命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時4.5ms,而命令解析即單片機內(nèi)程序執(zhí)行，其用時遠小于1ms.相比較，舵機的機械響應時間在百ms級，因此動作控制器保證了響應的及時性。

實驗證明，在設計思想指導下的硬件和軟件實現(xiàn)，充分符合既定的目標，體現(xiàn)在機器人的多關節(jié)能夠協(xié)調(diào)動作，預先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。

在機器人的實際控制系統(tǒng)中，動作控制器作為主控制器（ARM9）的下級從屬設備，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作。在這種分層控制的體系結構下，自平衡的檢測與控制達到了理想的效果。

3結束語

由于自平衡人形機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結構的復雜性，國內(nèi)外機器人愛好者對其控制策略進行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結構的方法。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器（ARM、DSP等）接收收集到的信息，進行處理，再根據(jù)