基于DSP的仿生機器蟹多關節(jié)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘要：針對微小型步行機器人對控制系統(tǒng)的性能要求，介紹了一種可用于步行機器人多關節(jié)驅動的控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)以仿生機器蟹為設計對象，采用ＤＳＰ作為核心控制器。提出了多層多目標分布式遞階控制系統(tǒng)的設計方案，并介紹了仿生機器蟹單步行足的軟、硬件設計方法。
　　關鍵詞：步行機器人ＤＳＰ伺服控制分布式
　　
　　仿生機器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運算速度，以便在機械結構剛度較高的情況下，通過提高響應速度來確保機器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個電機（如圖１所示），使其質(zhì)量較大，同時由于體積的限制使得各步行足相互間距較小，因此將造成機器蟹在行走過程中耦合較強，控制模型受軀體位姿、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統(tǒng)控制結構靈活，具有調(diào)整步行足軌跡和步態(tài)的能力，并能適應控制模型的變化。因此必須研制一種具有強大運算處理能力、軟硬件結構模塊化的機器蟹控制系統(tǒng)。
　　
　　從作業(yè)任務來看，兩棲仿生機器蟹的主要設計目的是用于未來的兩棲軍事偵察，因此要求其具有自主性、智能化的特點，并應從實用性角度出發(fā)來設計嵌入式的控制構架。
　　
　　控制系統(tǒng)的設計目標為：
　　
　�。ǎ保�對各個關節(jié)實施快速準確的位置控制；
　　
　�。ǎ玻﹨f(xié)調(diào)步行足各關節(jié)之間的運動以及各步行足的運動，以實現(xiàn)預期的目標軌跡；
　　
　�。ǎ常�實時地采集、處理傳感器的數(shù)據(jù)，以便在控制系統(tǒng)的信號綜合中使用；
　　
　�。ǎ矗�實現(xiàn)機器人步態(tài)規(guī)劃、運動方程的求解以及控制指令的快速傳輸；
　　
　�。ǎ担┚哂辛己玫目刂平Y構和接口，便于高層控制軟件的開發(fā)；
　　
　�。ǎ叮┯幸欢ǖ念A留接口、良好的兼容性和擴展性，以便進行功能擴展和二次開發(fā)與研究；
　　
　　（７）具有模塊化結構，以便調(diào)整步行足的數(shù)量，適用于不同步態(tài)形式的控制。
　　
　�。倍鄬佣嗄繕朔植际娇刂聘拍罴翱刂瓶蚣�
　　
　　仿生機器蟹是一個復雜的控制對象，從體系上講，其每條步行足都是一個多自由度的串聯(lián)臂機器人。要實現(xiàn)有效的控制，除要對每條步行足的三個驅動關節(jié)進行準確高效的控制外，多條步行足之間還要相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。同時應考慮到各條步行足運動空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強耦合。常用的控制方法有分散控制、分布式控制和遞階控制三種形式。由于遞階控制系統(tǒng)具有控制結構清晰、層次分明的特點，而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結構且可擴展性好，因此機器蟹控制系統(tǒng)采用遞階控制和分布式控制相結合的控制結構設計。由于其控制結構較復雜，所以將整個控制體系分為任務規(guī)劃、任務分解、軀體路徑規(guī)劃、運動協(xié)調(diào)、步行足軌跡規(guī)劃、運動學／動力學計算、電機伺服控制等多層結構，而且每層之間要通過上層進行運動協(xié)調(diào)，例如各個步行足之間的運動控制協(xié)調(diào)，需要步行足控制層通過步行運動協(xié)調(diào)層交換信息。每條步行足的指關節(jié)之間的控制也是如此。因此，機器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標分布式遞階控制系統(tǒng)，如圖２所示。
　　
　　第一層稱為“動機層”，它使得機器人本體能夠做到完全的自主。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內(nèi)部的響應翻譯成對機器人本體的高級命令。
　　
　　第二層是“軀體路徑層”，它接收“動機層”給出的高級命令，將其轉化為一系列的本體內(nèi)部的描述量及認知圖，進而給出機器人自身軀體的運動路徑。
　　
　　第三層稱為“步行足軌跡層”，它針對軀體的運動路徑給出各個足的具體的運動，包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成。
　　
　　第四層是“動力實現(xiàn)層”，它通過驅動組件實現(xiàn)由“步行足軌跡層”給出的足的運動，并對由于系統(tǒng)的動力學不確定性和干擾造成的誤差進行校正。
　　
　　各層之間，上層向下層輸出控制量，由下層來具體實施。每執(zhí)行一步，下層將狀態(tài)信息實時地反饋給上層。
　　
　�。矄尾叫凶憧刂葡到y(tǒng)的硬件設計
　　
　　按照上述設計方案，采用自下而上的設計思路進行機器蟹控制系統(tǒng)的開發(fā)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性，同時也符合模塊化設計思想：在總體確定后，進行各功能模塊的設計，并通過設計模塊間的接口來組合成完整的系統(tǒng)。
　　
　　首先使用ＴＭＳ３２０Ｌ
　　
　　
　　
　�。疲玻矗埃烽_發(fā)步行足伺服控制器模塊，這是為了配合機器蟹樣機本體的研制開發(fā)而同步進行的，這樣有利于控制系統(tǒng)與被控對象間的兼容。
　　
　　步行足伺服模塊包括ＤＳＰ的最小系統(tǒng)、ＲＳ２３２通訊接口、ＤＰＲＡＭ接口、ＰＷＭ輸出、電機碼盤ＱＥＰ信號檢測、碼盤計數(shù)、關節(jié)轉角初始定位、力信號檢測等部分，如圖３所示。伺服控制模塊的各外設接口功能如下：
　　
　�。ǎ保�ＲＳ２３２通訊接口：實現(xiàn)ＰＣ機與ＬＦ２４０７的上下層通訊，以便在單步行足控制實驗中進行控制和狀態(tài)觀察；
　　
　�。ǎ玻�ＤＰＲＡＭ接口：用于實際機器蟹控制系統(tǒng)的多控制模塊級聯(lián)通訊和伺服模塊與ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０系統(tǒng)的通訊；
　　
　�。ǎ常�ＰＷＭ輸出接口：利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的片內(nèi)外設生成數(shù)字ＰＷＭ信號，作為電機控制信號；
　　
　　（４）碼盤計數(shù)接口：用于電機轉速檢測中的正交編碼信號（ＱＥＰ）檢測、電機旋轉方向判斷，與關節(jié)轉角定位信號結合使用，來檢測關節(jié)轉角；
　　
　�。ǎ担╆P節(jié)轉角初始定位接口：采集用于關節(jié)初始定位的霍爾傳感器信號；
　　
　�。ǎ叮┝π盘柦涌冢禾幚砗蜋z測足端ＦＳＲ傳感器的接觸力信號。
　　
　　圖4計數(shù)器結構框圖
　　
　　２．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的功能介紹
　　
　�。裕停樱常玻埃茫玻矗�系列ＤＳＰ芯片是ＴＩ公司于１９９７年推出的低價高性能的１６位定點ＤＳＰ，是專為數(shù)字電機控制系統(tǒng)和其它控制應用系統(tǒng)而設計的ＤＳＰ。ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列ＤＳＰ不但具有高性能的ＣＰＵ內(nèi)核，而且還具有單片電機控制的外設功能。它將數(shù)字信號處理器的高速運算能力與面向電機的強大控制能力結合在一起，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元ＭＣＵ和多片設計系統(tǒng)的理想替代品。經(jīng)過對ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列芯片功能的比較，選用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作為開發(fā)機器蟹步行足控制系統(tǒng)的ＣＰＵ。該芯片除具備通用ＤＳＰ的高速高性能外，片內(nèi)還配置了大量的外圍接口，專用于電機控制開發(fā)。
　　
　�。玻�２計數(shù)器的設計
　　
　　在計數(shù)器的設計過程中采用模塊化的設計思想，利用ＭＡＸ＋ｐｌｕｓＩＩ軟件提供的可調(diào)參數(shù)化元件庫（ＬＰＭ—ＬｉｂｒａｒｙｏｆＰａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＭｏｄｕｌｅｓ），選取可調(diào)參數(shù)化計數(shù)器元件ＬＰＭ－ｃｏｕｎｔｅｒ來設計１６位計數(shù)器。在該計數(shù)器模塊上共有９個并行的計數(shù)通道，每個通道都包括一個１６位可預置初始值的雙向可逆計數(shù)器，計數(shù)脈沖采用上升沿觸發(fā)，并具有同步裝載初值和異步清零的功能。計數(shù)器結構框圖如圖４所示。在該模塊中，還包括電機ＱＥＰ信號組的４倍頻處理和方向判斷功能電路，并且具有與ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７接口的邏輯電路。
　　
　�。玻�３步行足足端力信號檢測電路
　　
　　為了實時獲得軀體相對于大地坐標系的位置和姿態(tài)信息，步行機器人必須通過大量的外部傳感器獲得諸如傾角、離地高度等信息。在機器蟹的步行足端部安裝了力傳感器，利用它檢測足端與物體（或地面）的接觸力大小，來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面。通過設置碰撞力信號的閾值來判斷步行足是可以克服阻力按規(guī)劃路徑繼續(xù)運動，還是改變運動方式避開障礙，或從擺動相轉入支撐相。
　　
　　ＦＳＲ（ＦｏｒｃｅＳｅｎｓｉｎｇＲｅｓｉｓｔｏｒｓ）是一種聚合體薄膜裝置，其電阻值大小與其活性表面所受正壓力大小成正比，這種力傳感器對力的敏感程度非常高。機器蟹足端ＦＳＲ檢測電路如圖５所示。無作用力時，ＦＳＲ阻值Ｒｓ約為５０ＭΩ，晶體管導通，Ｖｏｕｔ輸出為低電平，接近于０Ｖ；當表面受力時，阻值Ｒｓ隨力的增加而減小，當Ｒｓ值滿足晶體管可靠截止條件時，Ｖｏｕｔ輸出高電平。要使晶體管截止?必須滿足以下條件：
　　
　　(Vcc·Rs)/(R1+Rs)＜Ｖｂｅ，即Ｒｓ＜(Vbe·R1)/(Vcc-Vbe)
　　
　�。硢尾叫凶憧刂葡到y(tǒng)的軟件設計
　　
　　在本文設計的機器蟹控制器中，采用分時集中方式和多ＣＰＵ的結構。步行足控制器采用分時集中方式，由一個ＣＰＵ對３條步行足的９個關節(jié)進行控制，ＣＰＵ可對各關節(jié)的反饋控制策略進行協(xié)調(diào)控制，完全由軟件確立各關節(jié)之間的耦合關系。而整個機器蟹的全局控制器結構為多ＣＰＵ結構，由３個步行足控制器（即３個ＣＰＵ控制單元）并聯(lián)成伺服控制層，并由一個中央控制ＣＰＵ協(xié)調(diào)控制。機器蟹步行足控制系統(tǒng)的單關節(jié)控制過程如圖６所示。由ＰＣ機（上位機）將每一個動作任務分解為各關節(jié)轉角，并每隔一個插補時間Ｔ１執(zhí)行一次上下位機指令，將下一個Ｔ１時間內(nèi)各指關節(jié)的目標轉角指令值發(fā)送給ＤＳＰ控制器（下位機）。ＤＳＰ控制器將插補時間內(nèi)的轉角按可控精度進行周期為Ｔ２的插補細分，細分后所得任務為各個關節(jié)電機控制中斷程序的實際目標指令，并在插補周期時間內(nèi)實現(xiàn)電機轉角位置伺服控制，從而完成步行足的運動控制。除此之外，控制系統(tǒng)軟件還包括步行足軌跡規(guī)劃運算、系統(tǒng)自檢和初
　　
　　
　　
　　始化、故障判斷、程序終止、力／位置信號采集處理等功能模塊。
　　
　　本文以仿生機器蟹為設計對象，提出了基于ＤＳＰ的機器蟹多層多目標遞階控制系統(tǒng)方案，并對單步行足的軟、硬件設計做了詳細的闡述，為進一步實現(xiàn)自主式的仿生步行機構奠定了基礎。
　　
　　
　　
　　

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