（机械电子工程专业论文）基于dsp的六足机器人控制系统研究.pdf

摘要 六足机器人研究属于仿生机器人学中的研究比较热门的领域，它相对于其它机器人在 越障能力上拥有更好的表现，在科研探险、军事侦测、灾难抢险等领域都有很多应用。其 是六足机器人研究领域中是一个重要的研究方向，能使机器人具有更强的野外适应能力。 本文结合六足机器人在越障过程的运动特点，分析六足机器人越障控制过程，建立基于d s p 的运动控制系统。 首先，本文介绍了一系列用于研究而搭建的实验平台，包括机械样机、控制系统和仿 真系统。样机采用基于链式机械结构的六足机器人，该结构不同于传统的六足机器人结构 设计方案，它将机器人的身体结构分成三段，中间使用驱动关节相连接。控制系统采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制内核，采用分时译码方式实现将六路控制信号转化为4 8 路控制 信号，通过m a ) 【6 8 1 8 芯片实现对机器人足端接触信号的去抖动处理。仿真系统是基于 0 i p e n g l 的、矾n d o w s 应用程序，该系统参照p r o e 的建模方式和a d a m s 的运动仿真方式， 能实现模拟机体的运动过程和分析轨迹等。 紧接着在对六足机器人进行了正运动学分析，将六足机器人分成机身坐标系统和机械 腿坐标系统，建立了各个坐标系统的关节之间的转换矩阵，并分析了与机器人控制相关的 加速度和速度，为控制系统提供数据结构支持。 然后又分析六足机器人的越障控制过程和整体运动控制策略，在此基础上建立基于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的越障控制系统，该系统包括运动调节控制模块、节律控制模块和自调 节控制模块，其中自调节控制模块用于实现机器人对地面及整体运动过程的自调节控制， 节律控制模块用于控制机器人的步态控制，运动调节控制模块用于节律运动控制模块、自 调节模块的调节。这种多层次的运动控制结构为六足机器人运动控制提供一种解决方案， 为后续的研究提供一定的借鉴。 在文章的最后，将控制方案加入到仿真系统进行运动过程的分析，并在样机上进行调 试工作，验证该系统方案的可行性。 关键宇：六足机器人；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；运动控制系统；运动仿真系统 r e s e a r c ho nd s p - b a s e dc o n t r o ls y s t e mo fh e x p o dr o b o t a b s t r a c t t h es 协d yo 仆e x 印o dr o b o ti sm o r e 锄dm o r ep o p u l a ri nt l l ef i e l do f b i o i l i cr o b o ti k s e a r c h i tc 狮p l a yab e t t e rr o l et 0a c r o s s 廿l eb 硎e 瑙t l l a no t l l e rr o b o t ，i ti su s e di 1 1s c i e i l t i f i cr e s e 鲫c h e x p e d i t i o n s ，m i l i t a 巧d e t e c t i o n ，d i s 嬲t e rr e s c u ea 1 1 do t l l e rf i e l d s i t so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n t h eh e x p o dr e s e a r c h ，锄dc 锄i m p r o v em er o b o t sa d a p t i o ni n 1 ew i l d o nt h i sp a p h e x a p o d r o b o t0 b s t a c l ep r o c e s si sa i l a l ) ，z e d t h ed e s i 印o fh e x a p o dr o b o tp r o t o t y p ea l l dc 0 椭的1s y s t 锄 w a ss t u d i e d i i lm eb e 舀l l i l i n go ft h ep a p e r as e r i e so fe x p e r i m e n t a lp l a t f o 肌f o rr e s e a r c ha r e p r e s e n t e d t h ep l a t f o r n lc o n t a i n sm e c h a n i c a lp r o t o t y p e ，t h ec o n t r 0 1s y s t e i i la n ds i m u l a t i o ns y s t 啪 ac h a i ns h l j c t u r eo f h e x a p o dr o b o tl l s e df o re x p 甜m e n t t h e 咖c t u r ei sd i v i d e di n t ot h r i p a r t s ： h e a d ，m o r a x 粕da b d o m e i lw h i c ha r cl i n k c db yd r i v em o t o r s t h em o t i o nc o n t r o ls y s t 锄w a s d e s i 印d eb a s eo nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h es y s t 锄e x p a n dt h e6c h a n n e lc o n 们ls i 印a li n t 04 8 c h 猢e lc o n t r 0 1s i 印a lb yu s i n gd e c o d 盯锄dt h e l las w i t c hs i 印a lr e a d i n gc i r c u i tw a sa l s oa d d e d t o 恤s y s t e i i l 删c hw a s1 l s em a 】【6 8 1 8c h i p n es i m u l a t i o ns y s t e i i l i smo p e i l g l - b a s e d w i n d o w sa p p l i c a t i o nw r h i c hi su s e dt 0v a l i d a t em eh e x 印o dr o b o tm o t i o nc o n 仃o l s y s t 锄t 0b e i n t r o d u c e d t h es y s t 锄r e 断朗c e st h ew a yo fp r o e n 印e e r sm o d e l i n ga p p r o a c ha 1 1 da d 锄s s m o t i o ns i m u i a t i o n ，nc a nu s e di ns i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h em o v e i l l e n to f t r 旬e c t o r y i i lh e x a p o d 印b o tl 【i n 锄a t i c s 觚s l y s i s ，l eh e x 印o dr o b o tc o o r d i n a t ew 嬲d i v i d e di n t ob o d y c o o r d i n a t es y s t 锄觚dl e 铲c o o r d i n a t es y s t e m s 1 1 1e a c hc o o r d i n a t es ) ，s t e mt h et r a n s f 0 m a t i o n m a t r i xb e t 、) l r e e i l 撕oa d j a c e l l tj o i n t sw a se s t a b l i s h e d a n dt h es p e e da n da c c e l e m t i 伽w h i c hi s r e l a t e dt oc o n 缸o ls y s t e i na r ea n s y s i s a l lo ft h e s em e e tt h en e e do fc o n t r o ls y s t e m t 1 1 e n ，at m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 小a s e dm o t i o nc o n 们ls y s t 锄i se s t a b l i s h e d ，t l l es y s t 锄i n c l u d e s s p o r t sc o n d i t i o i l i n gc o n 锄lm o d u l e ，m er h y t i l l l lc o 曲r o lm o d u l e sa i l da d a p t i v ec o n t r o lm o d u l e n e a d p t i v ec o n 仃o lm o d u l e i su s e df o i 。m a l ( er o b o tm e c h a n i c a ll e 笋a l l db o d ym o v 锄e n tt oa d a p t l e 猡舢n da i l d b o d yc o n 们1 1 1 1 er h 矿l l i nc o n t r o lm o d u l ei su s e df o rc o n t r o l l i n gt h er o b o t sg a i t t h em o t i o nc o n 仃o lm o d u l ci sl l s c dt oa d j u s tm er h 灿i cm o t i o nc o n t r o lm o d u l er c g u l a t i o no f a d 印t i v em o d u l e s ：t h cm u l t i - l c v e lm o t i o nc o n t m ls t m c n l r ef o rt h eh e x a p o dr o b o tm o t i o nc o n t r o l p r o v i d e sas o l u t i o nf o r t l l ef o l l o w u ps t u d y i i a tt 1 1 ee i l d ，1 ec 0 曲同s c h 锄ei sv d f i e db ys i i i l u i a t i o ns y s t 锄锄dp r o t o t y p e k e y w o r d s ：h e x a p o d ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；m o t i o nc o n t r o ls y s t 锄；m o t i o ns i m u l a t i o ns y s t 锄 i i i 浙江理t 大学硕士学位论文 第一童绪论 1 1 课题研究目的及意义 六足机器人属于昆虫型仿生机器人【l 】，昆虫不像人类等高级哺乳类动物一样具有强大 的脑力做出对周围环境的反应，但是昆虫仍然成为生物界中种类最多的一类生物【2 】，它们 几乎遍布全球各地，对自然界的各种环境具有很强的适应能力【3 】。这与其身体结构有着很 强的关系，六足生物对各种复杂环境具有很强的自调节能力，而这种自调节能力无需很强 的决策力就可以实现。因此六足机器人开始走入人类的很多领域。如外太空探测、军事侦 查、工程探险等领域【4 1 【5 】，这些领域共同的特点就是地形复杂。尽管六足机器人本身结 构像昆虫一样，对地面拥有很强的适应功能，但是要实现对地面的适应其控制同样是不容 忽视的【6 】。六足机器人在工作环境下工作时，会遇到各种未知的障碍，在国内外很多人对 此展开研究r 7 1 ，很多人对障碍的处理选择避开这个障碍物，也就是六足机器人的避障研究。 在这方面研究的入一般采用视觉或者超声波传感器等方式对障碍物进行识别，然后将障碍 物进行一定的位置记录等，并计算出避开障碍物的最优路线算法【8 】。但是六足机器人运行 过程中很大部分时间的是出于有障碍物的情况下的，最常用的障碍物处理方式应该采用越 障形式，这样才能提高机器人的执行效率。因此六足机器人的越障控制研究比避障研究更 为重要。在仿生学机器人的运动控制当中基于节律控制的运动能够生成稳定控制信息、多 样的运动控制效果9 1 、容易实现调控【1 0 1 、很强的自调节能力【l i 】等优点，十分适合应用 于六足机器人的越障运动控制。六足机器人的主要操作的环境是未知和复杂的，机器人要 适应工作环境，最需要做的是能够对复杂和未知地面的自调节能力，即越障能力。本论文 以六足机器人的越障控制研究为内容，在自行设计机器人基本机体结构的基础上进行试验 研究，提出六足机器人越障过程中的控制解决方案，分析了六足机器人的对障碍物的自调 节控制的过程，以及在越障过程中的运动解决方案。 1 2 足式机器人控制系统的国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 我国对足式机器人的控制系统研究相较与国外起步比较晚，主要起步于八十年代，在 上海交通大学、北京理工大学、燕山大学等均展开过研究工作，并取得一定的成果【1 2 1 。 1 9 9 3 年，上海交通大学研制出j t u w m i i i 型四足步行机器人【1 3 j 。该机器人采用分布 式的控制系统结构。在控制系统中，先采用适合作为电机控制的8 0 9 8 作为直流伺服电机 的直接控制板，再使用通信控制芯片作为连接机器人各个部分的通信载体，最后使用高级 浙江理。i ：大学硕f ：学位论文 计算机作为系统的计算协调中心。整个控制系统将各种控制功能分别进行控制、协调，形 成了一个控制网络系统。之后在1 9 9 6 年，卜海交通大学的郑伟红将模糊神经网络应用在 四足机器人的控制系统中【l4 1 ，他将获墩的感应信息进行模糊化处理，使用力学模型模拟 机器人的力学模型，实现机器人运动平稳。 2 0 0 1 年，哈尔滨工业大学的下强博士在对双足机器人h i t i v 的研究中提出了一种基 予r b f 的控制方式【l5 1 ，这种方式结合自调节模糊控制和神经网络控制，采用神经系统模 拟系统的逆运动学模型，这种方式使得机器人运动控制系统的性能得到很大的改善。 2 0 l o 年，上海交通大学的杨斌针对双足机器人的结构特点、控制复杂性等，设计基于 c a n 总线的分布式控制系统i l6 。他将控制系统分成主控制层、通信控制层、协调执行层 3 层，采用c a n 总线建立三层之问的联系，在主控系统基于计算机，负责机器人的调试、 数捌反馈。协调执行层使用l i u n x 嵌入操作系统对机器人进行协调控制。 1 2 2 国外研究现状 在国外，足式机器人的控制研究展丌的很早，特别是美困、同本等发达幽家，其在这 方面的研究比较成熟，取得了很多成果。 1 9 8 3 年，美国o d e t i c s 公司设计并生产出一种圆周分布型的六足机器人“o d e xi ” 型【1 7 】。该机器人使用直流伺服电动机作驱动部件，采用分级式控制系统，将系统分成高层、 中层和底层。在底层，使用6 个独立控制器分别控制六条腿，这个控制器主要用丁处理腿 的驱动元件的反馈信号以及分布于脚和腿部的触觉传感系统反馈数据；中层级使用一个独 立的控制系统，用于6 个底层控制器与高层控制器之问的数据交换：高层级包括多个控制 处理系统，用于六足机器人运行过程中高级决策运算，如步态选择、身体平衡性保持、传 感器的数据采集、各个系统之问的通讯等运算控制。在1 9 8 6 年，o d e t i c s 又丌发了“o d e xi i i ” 型机器人，“o d e xi i i ”使用远距离控制台进行远程控制，之间采用光导纤维进行信号的交 换。这样使得该型机器人能在核辐射等危险环境下代替人类进行工作。 图1 1 “o d e xi ”型六足机器人图 2 浙江理- t 大学硕士学位论文 1 9 8 6 年，m i u m 等研制出四足步行机器人“c o l l i e - 2 ”【1 8 】。该机器人使用直流伺服电 机作为驱动元件，在机器人的每一个关节安装了一个电位器，采用m c 6 8 0 2 0 芯片作为运 动控制系统的控制芯片，并在控制系统中嵌入r m s 6 8 k 操作系统，。 1 9 8 6 年，美国麻省理工学院b r o o l 【s 以生物的运动神经系统模型为基础，提出了分层 控制结构【1 9 l ，b r o o k s 将控制系统分成两部分，下层是对生物体的反射控制，生物体局部 对的外界刺激理解为简单的行为反射，而将整个系统行为反射刺激看成具有现实意义的生 物体机能。基于这种“刺激 反射 控制方式的机器人控制方式简单、灵活，在参数的输 入和输出都不存在复杂的计算，通过自组织实现机器人的复杂行为，其对复杂地面具有很 强的自调苞性。之后出现的机器人如a 伽a 、l a u r o n i i i 都采用层次化结构控制。层次化控 制结构对本层功能进行封闭控制使不同层次之间的控制功能相对独立，是控制系统设计 更为方便简洁，具有稳定、可靠和高效的优点，一直是多足机器人控制系统的基本结构。 1 9 9 8 年，美国的g a p r a t t 和j e p 础等人提出了在双足机器人的控制系统中采用虚模 型控制策略【2 l j 。虚模型控制是一种运动控制语言，它将连接在机器人上的元件虚拟成 成数学模型，接着将一个机器人行走步态周期分为支撑环节、悬空环节、前驱环节和结束 环节【2 2 1 。系统充分利用机器人自身的特点，将机器人的各种动作通过控制系统自然的完成， 从而简化了控制系统。 同年，n a o j i s h i r o m a 、h i r o h i k 0 加伍和k a z u o t 锄i e 研究的平面非完全三关节机器人【2 3 1 。 这种机器人包括两个驱动关节，一个自由关节。其将对机器人的运动轨迹分成转动过程和 平动过程，然后对二者进行分别控制，从而建立了对整个运动控制系统。 2 0 0 0 年，鼬i n u r a 和y a s u h 曲等研制出四足式机器人。【8 】该机器人的运动控制系统采 用计算机控制下位机的方式，在机器人的每个关节上都装有一个角度传感器用于记录关节 的角度量，并在身体上安装了大量触觉传感器、导航设备等。使得整个控制系统形成了一 个闭环控制方式，是一种控制精度高的运动控制系统。 2 0 0 8 年，波士顿力学工程公司( b o s t o nd y i l 啪i c s ) 为美军设计了一种狗型机器人一大 狗 【2 4 1 。“大狗”机器人是一种越野型的大型运输机器人，相较轮式和履带型机器人具有 很强的越障能力。它可以实现最长1 小时的自主野外作业，可以自主分析所处的地形结构， 人类对它的控制操作干预很少。“大狗 采用液压伺服元件作为驱动体，每条腿拥有4 个 主动性的驱动关节和5 个被动性关节。全身大约使用了5 0 个传感器，包括惯性传感器、 动态平衡传感器、液压压力传感器、温度传感器等。机器人的控制系统采用二级控制方案， 分别是用于控制伺服元件的位置的低级控制层和控制机器人步态、协调腿步型的高级控制 浙江理工人学硕士学位论文 层。“大狗”采用预测式平衡算法动态平衡步态。控制系统通过传感器反馈回来各种信息( 如 地型，运动加速度) ，控制各个关节以平衡负载来优化它的双腿承载能力。 图1 2 “大狗”主要组成部分图 1 2 3 国内外主要研究方向与发展趋势 通过以上介绍，可以发现在世界范围内对于足式机器人控制领域的研究是一个相当热 门的研究领域，经过多年的研究发展，新的研究理论和新的研究成果不断被创造，使得足 式机器人的控制研究体系不断得到完善和发展。这些研究总体上涉及到以下几方面： ( 1 ) 对控制系统的结构展丌研究。主要研究机器人的运动控制系统的结构方案，以期 能实现最佳的控制的效果。 ( 2 ) 步态轨迹控制的研究。主要研究足式机器人实现一定运动轨迹的控制方案。 ( 3 ) 对地面自调节控制的研究。t 要研究机器人如何实现对复杂地面具有自调节能力 的控制方案。 综上所述，在足式机器人控制研究领域，理论和研究在各方面都相当的充实了，一个 优良的足式机器人控制系统在这三个方面都应有很强的控制方案，因此将这三方面的控制 领域结合起来将会成为未来的足式机器人研究的主流方向。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要针对六足机器人在非结构地面上控制系统方案展丌研究，研究平台为白行 设计的一种基于链式结构的六足机器人，该机器人单腿具有六个自由度，且身体结构突破 浙江理t 大学硕士学位论文 传统结构，分成三段以关节链接的机体。运动控制系统是基于t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的多路舵机控制系统。并使用基于o p e i l g l 的机器人仿真平台作为分析工具。本论文从六 足机器人非结构化地面运动的角度出发，在理论分析的基础上，通过仿真平台和实物样机 的验证。支持六足机器人的在非结构化地面上越障控制研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 自行设计一种新型的六足机器人样机平台和基于d s p 的运动控制系统。并设计基 于o p e i l g l 的仿真系统为机器人的越障控制研究做好准备。 ( 2 ) 在六足机器人样机平台上建立相关的运动坐标系，建立起机器人各个关节位姿的 联系，以及关节速度和加速度之间的运动关系。分析越障情况下的各种位姿形态。 ( 3 ) 研究在非结构化地面下六足机器人运动方式的选择及其对非结构化地面自调节研 究，分析越障过程控制研究，并在d s p 控制系统下实现越障控制系统的最优方案 ( 4 ) 基于仿真系统进行运动控制研究，得出最佳的控制方案，并在样机上进行论证。 1 4 本论文结构 本论文的主要的研究思路为通过建立实物样机系统和运动仿真系统，分析六足机器人 的越障控制机理，通过分析提出和优化最佳的运动控制方式。其整个文档结构如图1 3 所 不。 绪论 一一一 j _ 一一一一 一一可一。_ 运动学分析 机体结构设计 l 控制系统设计 i l 仿真系统设计 - 1 ! 越障分析及其越障控制系统建立 j 样机试验及其仿真实验 上 总结展望 论文后续章节的主要内容包括： 图1 3 论文结构图 5 浙江理t 大学硕士学位论文 第二章：介绍针对六足机器人的越障控制实验的需要而自行设计的基于d s p 的六足机 器人样机系统，该样机系统采用新型的身体布局结构，结合了传统六足机器人和链式机器 人的身体结构，提高六足机器人的越障能力。同时为了能在样机试验之前能够对控制系统 进行预先的试验以及方便获得机器人在控制系统控制下运行产生的一些必要数据。设计仿 真系统，在这一章中介绍仿真系统的主要部分及其运行原理过程。 一 第三章：分析六足机器人的空间结构和空间运动，以齐次方程矩阵方式建立六足机器 人身体和腿关节之间的空间位置关系，并分析关节点的速度和加速度关系。 第四章：介绍基于非结构化地表下机器人越障时的控制问题。提出六足机器人在三角 步态下的节律运动控制方案，分析越障过程中的机器人的自调节控制等，并基于d s p 控制 系统分析了实现自调节、节律调节控制的六足机器人越障控制具体实施方案j ? 。 第五章：基于仿真系统对机器人越障控制过程进行分析研究、并在实物样机上进行研 究。 第六章：总结和概括本论文的研究工作和展望后续研究 6 浙江理- 丁大学硕十学位论文 第二章基于d s p 的六足机器人样机及其仿真系统设计 2 1 六足机器人样机设计 2 1 1 结构布局 现今阶段六足机器人常使用的身体布局分成两种：f 六边形分布、双排并列式分布( 如 图2 1 所示) 。正六边形结构腿均匀分布 图2 1 六足机器人盘式结构和双排并列结构 链式机器人属于移动机器人的一种，其也属于仿生机器人的一种，其一要模仿自然界 的多肢节的生物( 如蜈蚣，蛇等) ，其特点在于身体k ，对复杂地面适应性很强。本论文根 据传统机器人的结构结合链式机器人的结构特点，提出链式六足机器人结构，其特点在于 将身体的腿分成二组，身体同样分成三段。每段身体安装一组腿，从而将六足机器人分成 了i 个双足机器人的合并体。链式机器人的两个身体问采用自由关节进行连接，身体无法 自行的保持站立姿态。为了能够解决这个链接问题，本文将六足机器人身体链接处加入驱 动关节，如图2 2 所示。 图2 2 具有链式结构的六足机器人身体结构示意图 2 1 2 腿部结构 六足机器人属于昆虫型的仿生机器人，在昆虫世界中，昆虫虽然相对人类而言其身体 结构是渺小的，但是并不表示昆虫的结构简单。昆虫的腿可以分为基节、腿节、胫节、跗 节、前跗节五部分( 图2 3 ) 。现阶段，大部分六足机器人的腿部结构都采用三个自由度的主 7 浙江理工大学硕士学位论文 流设计【25 1 ，他们均不不能发挥昆虫型机器人的腿部结构的作用，为了进一步提高六足机 器人的越障能力和对复杂地形的适应性，本项目所设计的机器人每条腿都具有六个自由度 ( 如图2 4 ) 。机器人手的灵巧性取决于机械于所具有的自由度。同样，对于六足机器人的腿 部结构来说，为了能够适应大干世界中各种各样的未知地形，其腿部就要相当的灵巧。当 然这也不足说腿部的关节数越多就越好，由我们生活的现实世界的基本特性可知，对于通 用型机器人的腿部结构，“合适的”最小关节数量是六个，因此具有六个自由度的机器人 腿就具有更高的适应能力，也可以完成更多不可预知的任务。 图2 3 昆虫腿结构分稚 ( l 3 ) 前跗节( l 4 ) 图2 4 机器人腿部关节分布图 本设计的机械腿采用昆虫腿的布局结构，采用 i 关节设计方案。按关节分布分成基节、 腿1 了、胫节、跗节、前跗节五部分。其中基节、腿节、胫节作为机器人主要运动部分，跗 节和前跗节作为调节部分而存在。在各部分链接处使用数字舵机作为驱动器，形成具有6 自由度的机械腿图2 5 是该机械腿的三维模型图。 浙江理上人学硕士学位论文 图2 5 六自由度机械腿三维模型图 2 1 3 整机模型及宴物 六足机器人采用双侧链式布局结构，在每个身体各布置一对机械腿，机械腿以基节与 身体相连接。如图2 6 为机器人的整体三维模型造型图。根据机器人设计结构，设计制造 的六足机器人实物模型如图2 7 所示，其主要采用铝合金板金结构，足端装有微动开关作 为地面接触传感器。 图2 6 六足机器人三维模型图 9 浙江理一l ：人学硕士学位论文 图2 7 机器人实物图 2 2 基于d s p 的六足机器人运动控制器系统设计 2 2 1 运动控制系统常用实现方案及其比较 目前，机器人的运动系统实现方案主要基于以下几种方案 2 6 】【2 7 】： 1 、基于模拟电路的运动控制系统。在早期，运动控制系统一般采用电了管、运算放 人器等电子元件组成的模拟电路系统，由于其运算过程都是采用硬件实现，相比现在的软 件控制方案，其运行速度足相当的高效的，而且可以无问断的采集输入信息，实时性、控 制精度都相当的高。但是与基于软件系统的运动控制系统相比，缺点也是很明品的：组成 模拟电路控制系统的具有元器件易老化、设备维护麻烦、系统复杂、难用于高性能场合等 缺点。 2 、基于上位机的运动控制系统。在计算机上，使用c c + + 等高级语言编制柏关的上 位机控制软件，然后通过串口等数据流接口控制卜位运动控制板，就实现个运动控制系 统。这种实现方式具有计算机的高速、强大的运算能力以及控制思想的易改变性。但是在 六足机器人控制领域其缺点就显而易见了，其庞大的控制硬件系统无法使得控制对象 六足机器人远离控制系统自行运行。因此，这种控制实现方法可用于机器人的近距离的调 试工作。 3 、基于可编程逻辑器件的运动控制系统。在模拟电路控制电路中，其之所以拥有高 速运行的性能，是因为控制过程是硬件实现方式的，然而却没有一个良好的系统的应具备 的可编程能力。直到f p g a c p l d 等可编程器件的出现，人们最终将硬件实现系统和软件 实现系统的优点结合起来，形成了一个可编辑的高速控制系统。这种运动控制系统采用软 】0 浙江理工大学硕士学位论文 件系统模拟实现硬件电路，然后将电路烧录到阵列上，使用硬件形式记录硬件电路。然而， 这种方式还处于早期阶段，其芯片的成本很高。 4 、基于d s p 的运动控制系统。d s p 采用增强型的哈佛存储结构，具有高速运算能力， 特别是对于浮点型数据的运算，相对于其它控制芯片具有很强的优势。如针对电机控制应 用的t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p ，它将一些常用的外围设备集成为在一块芯片内，容易实 现对各种设备的控制，减少外部器件的个数，增加运动控制系统的可靠性。而且，d s p 系 统对外围设备的各种操作都是通过软件编写实现的，因此可以方便的实现控制思想的编 辑、代码的维护升级等工作，具有很大的弹性。另外d s p 应用技术已经相当的成熟，可参 考的各种技术很多，且相较可编辑逻辑阵列具有很强的价格优势。 基于对以上几类运动控制系统的比较，可以得到以下结论【2 8 】【2 9 1 ： ( 1 ) 基于d s p 的运动控制器系统在控制领域相对其它系统的具有很大的优势，是运动 控制系统未来的发展方向。 ( 2 ) 基于d s p 的运动控制器系统可以实现要求高的、计算复杂的运动控制，与拥有同 样性能的其它控制器系统相比，成本上占优势。 ( 3 ) 在对控制要求的不同的场合，各种芯片都具有不同的优势，选择控制系统应该综 合进行考虑。 ( 4 ) 多种运动控制实现方法结合配合使用，能实现控制方案的最优化。 2 2 2 本文的六足机器人运动控制器设计方案 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 属于t i 公司c 2 0 0 0 系列的一款经典d s p 的产品，其专为数字电机 控制和其他控制系统而设计。它内部不但有高性能的c 2 x x c p u 内核，配置有高速数字信 号处理的结构，且有单片电机控制的外设。其采用诸如自调节控制、卡尔曼滤波和控制等 先进的控制算法，支持多项式的高速、高效和全变速的先进控制技术【3 0 1 ，因此d s p 完全可 以用于六足机器入的控锘l j 【3 l 】。数字舵机采用脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制方式，且每个数字舵机控制信号均得保持独立。关节机器人具有的关节多的特点，控 制关节机器人往往需要多达几十路p w m 信号线对其进行控制，而仅靠d s p 芯片一般无法 产生这么多路信号。因此，必须对p w m 信号进行扩展操作。在传统设计中，信号扩展采 用串转并、总线挂载、数据译码等方式，本设计采用数据译码方式，即采用译码器对p w m 信号作用的通道进行选择，使用单路p w m 信号分时控制译码器各个输出端口的信号。 p w m 信号扩展过程可以表示为图2 8 所示。 浙江理t 大学硕士学位论文 图2 8d s p 控制译码器扩展p w m 信号图 六足机器人的运动平台是在非结构的地形上，其腿的运动轨迹不可能是总是完全一致 的，如凹凸不平的地面就会限制机器腿的继续运动，因此控制系统需要对地面能有感知能 力，而控制系统应该地面的感知可以通过微动开关实现【3 2 1 。 2 2 3 控制电路设计 本文采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 全比较单元方式产生p w m ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部拥有两 个事件管理器( e v 久，e v b ) 。每个事件管理器包括两个1 6 位的通用定时器和三个全比较单 元，p w m 产生过程可以分为两个过程。 第一，定时器周期值和比较单元跳变值的设定。当采用内部时钟电路时，设置定时器 寄存器t p s i 位可以设置定时器时钟频率，设定定时器周期寄存器的值可以设定定时器的 周期值。比较单元的数值通过比较单元寄存器c m p e r i 设定，其值必须小于定时器的周期 值。 第二，p w m 的输出。p w m 的输出由1 6 位比较动作控制寄存器a c t r x 决定。a c n h 决定了e v x ( x 取a 或b ) 事件管理器控制的p w m i ( i 取l 至1 2 ) 引脚输出的电平特性。例如 控制p w m l 的c m p l a c t 的1 ，0 位，其组合值决定p w m l 的电平特性： 0 0 ：则p w m l 输出强制为低； 0 l ：比较单元触发后将从高电平转向低电平； 1 0 ：比较单元触发后将从转低电平向高电平； 1 l ：强制输出高电平【3 3 1 。 数字舵机控制的方式分成两种：位置控制和速度控制。本文采用位置控制的方式，其 控制周期分为开始响应、角度值传递、结束响应三个阶段，前两个阶段可以表示为： 互= ( o 5 + 口o 0 0 8 ) ，珊，其中互表示定时器舵机达到口角p w m 高电平所需维持的时间，口 角的取值范围为o 2 5 0 。根据这个公式，可以得到墨的取值范围：( 0 5 2 5 ) 嬲。另外须 维持低电平0 5 m s 作为响应结束的信号。 浙江理工大学硕士学位论文 如上所述三个阶段所需要的时间至少为3 m s 。在实际舵机控制过程中，控制控制采用 角度逐步靠近目标角度的方式，以每次增加0 7 2 。或者1 4 4 。靠近目标角度值。而根据经验， 单路舵机p w m 变化问隔时问不超过3 0 m s ，整个舵机控制的协议可以表示为图2 9 所示。 其中t 表示整个p w m 输出的周期，t l 为高电平的时间长，1 2 为低电平的长度。i 蚓 图2 9 舵机信号周期分配图 译码器可以将译码值为n 的地址信号，转换为对应d 号引脚的选通。译码器选通线的 输入状态直接决定选通的引脚的输出状态。因此如果采用d s p 的p w m 输出引脚控制译码 器的使能口，那么p w m 信号的状态就可以保持与选中引脚状态一致了，且可以利用通用 i o 口控制译码器译码口，从而很实现p w m 控制对象的切换。本文采用的译码器是 7 4 h c 2 3 7 ，芯片的各个引脚关系如表2 1 所示。芯片与外部信号具体连接如图2 1 0 所示。 u 4 r f 、磊 y 0 by l cy 2 了3 g ly 4 g 2y 5 y 6 g n d y 7 + 5 v l 1 6 t g n d 图2 1 0 译码器连接图 表2 17 4 h c 2 3 7 引脚功能关系表 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 4 a 可以产生6 路独立p w m ，一路独立p w m 通过译码器芯片可以转换 柏n铊帕：。帖钉眦一舭一叭一叭iu一舭一iu釜罨【 浙江理t 大学硕十学位论文 为8 路p w m ，因此系统最高可以实现4 8 路p w m 输出。图2 1 0 中可以看到一块译码器至 少需要5 条输入引线，那么整个系统共需要3 0 条引脚线。这对于d s p 的引脚资源造成了浪 费。因此本文采用复用译码线方式( 六个译码器的译码口采用同一组控制线进行译码) 减少 引线的数量减少到1 5 根。分别为译码线3 根、地址锁存线6 根、p w m 信号线6 根。为保 证6 组译码器译码的独立性，本文中提出了“地址锁存分选法”：假设现在除了译码器1 外，其他译码口的g l 口都为高电平( 即当前只有译码器1 为当前操作的对象) ，那么能且 只能对译码器l 实现译码，当译码器完成译码工作后，改变g l 状态为高电平，译码器l 的译码值就不会受d s p 译码引脚的影响直到g l 口重新激活。整个控制过程可以表述为如 图2 1 1 所示。当g l 为低电平时，a 、b 、c 口的值影响译码器输出口的选通，当g l 为高 电平时，a ib 、c 口的值不影响译码器输出口的选通。 。 _ _ _ _ l - l - _ _ _ l 乱 ：l _ 型飘蒸一 口- 厂 厂 ：厂 厂 厂 厂 厂 厂 玎气二亓二二二二二二二二二二二：二二二h 二厅二亓二广 髑 几厂 iii ，。 ；厂 几 ； i厂 八 ； 图2 1 l 译码器引脚关系图 根据t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的结构特点，本文引用了i o p b 4 l o p b 6 口作为译码器的三个 译码口，i o p f o i o p f 5 作为译码器的锁存口，利用( x 取o 至5 ) 口作为译码器的使能信号 口。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制过程引脚的分配及其控制过程如图2 1 2 所示。 1 4 浙江理t 大学硕+ 学位论文 耶s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a f v a 一 k 使能口c 1 研 n 1 一缀獭狻燃潍p n暖 “1 髓鞠懿丽醒日 e 译码口匾a l 黝端缀鬻缓渤 髓翻皤鬟霸蜀曩窿端麟嘲提供时l 懂迮 一隧嬲麓隧翻隧翮控糯出板佳 麟疆穰暖霸强墨翻 。馈存口g l 篓i d p f o 矿 - 罐圈瞄霸翻圈豳 下 n 巧 捅爨豳 嚣n f 7 。yu 管曲持簋 7 4 暖2 玎 瞄 礁 一l r _ _ _ _ _ _ _ _ 目_ o 口j * 嘲瑷醴豳 p 、 n 1 9 一提供时钟基准 缀黼 缆熬赫 使能口c 1 翳l p v n d l l 鞫p 州1 1 r 翳嬲 雪 b ( jb ，c ) 陡l 隔l t i1 - 啃黝嬲黝 缀滋缀黔。一懈陌l 阁黧鹪黼 ii 翳1 0 p b i 矿 降l 一 、 h 蚕k 8篓 o 一。l 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二进制文件格式进行 模型组织，采用了很多创新设计方式。下面按照系统的组成介绍这四个部分功能及其设计 思想。 2 3 2 显示模块 显示系统主要利用o p e l l g l 进行显示，程序采用基于单文档程序结构。利用c v i e w 类 中重绘机制进行o p e l l g l 实时显示。0 p e l l g l 具有超强的图形绘制能力，包括绘制物体、 启动光照、管理为图、纹理映射、动画、图馒碧强交互技术等功能。作为图形硬件接口， 0 i p 铋g l 主要是将三维的物体投影到一个二维平面上，之后处理得到像素。这个过程就是 o p e n g l 的显示过程。0 e p n g l 采用双缓存显示机制，能实现快速流畅的实现o p 饥g l 的 显示效果。【3 6 l 为了实现流畅显示必须对基于m f c 结构的窗体结构进行必要的修改，并设 置0 p e n g l 的工作环境吲。 l 、绘制风格设置。由于软件基于m f c 结构，其默认情况下环境下是无法对三维模型 进行显示工作的。为了能实现对三维模型的显示就必须对程序绘图窗口的绘图风格、默认 背景重绘等进行重新设置、o p e n g l 环境。设置具体如下： 绘图窗口的绘图风格设置：处理p r e c r e a t e w i n d o w ( ) 加入代码 c s s t y l ei = w s l i p s i b l i n g s1w s l i p c h i l d r e nlc s - p w n d c 设置 处理背景重绘制：默认情况下如果不对w i n d o w 进行处理，在刷屏过程中，w i n d o w s 将会发生闪屏现象。为了不使这种情况发生。特别注释掉o n e r a s e b k 卵d