（交通信息工程及控制专业论文）自主移动机器人运动控制研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：移动机器人是一种能够通过传感器感知外界环境和自身状态，实现在 有障碍物的环境中面向目标的自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。 运动控制系统是移动机器人的重要组成部分。本文在前人工作的基础上，对轮式 移动机器人运动控制系统进行了进一步的研究。 本文综述了移动机器人的发展概况、研究内容和发展趋势，介绍了自行研制 的移动机器人的体系结构、系统构成和性能指标。 在原运动控制系统控制电路、驱动电路、光电隔离、速度传感器设计的基础 上，进行了系统电源的设计，完成了运动控制系统的脉宽调制口w m ) 控制，转速 测量和与上位机的串口通信的程序设计。 为了改善对直流电机的控制效果，研究了直流电机的数学模型，设计了p d 控制器，并在m a t l a b 环境中进行了仿真分析。 进行了移动机器人的直线、旋转和圆弧运动控制的试验，取得了较好的效果， 实现了对移动机器人的运动控制。 关键词：移动机器人；脉宽调制；运动控制；p d 控制 分类号： 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t a b s t r a c t am o b i l er o b o ti so n eo ft h er o b o ts y s t e m s ，w h i c hc a l la c c o m p l i s h 印p e r c e i v e o u t s i d ee n v 打o i l m e n ta n ds e l f s t a t ea 1 1 dm o v et ot h eo b j e c ti nt h e e n v i m 姗e n tw i t hr o a 曲1 0 c k s m o t i o nc o n t r o ls y s t e mi st h ei m p o n a l l tc o m p o n e n to f t h e m o b i l er o b o t t h er e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lo fa u t o n o m o u sm o b i l er o b o ti sp r c s e m e d i nt l l i st h e s i sb a s eo n p r e “o u sw o r k s t h i st h e s i ss 啪a r i z e sm eg e n e r a ls i t u a t i o n ，r c s e a r c hc o m e l l t sa 1 1 dd e v e l o p i n g t m do fm o b i l er o b o ta i l dm es 协l c t u r eo fm o b i l er o b o ts y s t e m ，t h ec o m p o s i n go fm e s y s t 锄a 1 1 dm ep e r f o 脚a n c ei n d e xa r ei n t r o d u c e d p o w c rs u p p l yo ft 1 1 es y s t e mi s d e s i g n e d ，b a s e do nf o m e rm o t i o nc o n 仃o ls y s t 锄， 缸c l u d i l l gd c 埘v e rc i r c u i t ，p h o t oe l e c t r i c 时i s 0 1 a t i o na 1 1 ds p e e ds e l l s o rc i r c u i t a n dm e c o n t r 0 1 1 i i l gs o f h v 盯e s 盯ea c h i e v e d ，i 1 1 c l u d i n gp w mw a v e f 0 衄o u t p u t ，r o t a ：t i n gs p e e d m e a s u r 咖e n ta 1 1 ds e r i a ic o m 珊l i l i c a t i o nw i mt h eu p p e r c o m p u t e r h 1o r d e rt oi m p r 0 v em e c o n 仃0 1 1 i i l gp e r f o m l a l l c eo ft t l ed cm o t o r t h em a t h e m a t i c m o d e lo f t h ed cm o t o rh a sb e e ns t i l d i e d a n dt h e nt h ep dc o n 扛d 1 1 e ri sd e s c r i b e da i l d m e p e r 】= b r m 锄c e sa r ca 1 1 a l y z e di l lm a t i ，a me 1 1 v i r o 姗a e n t e x p 谢m e l l t so nm es t r a i 曲t ，r o 诅t i n ga 1 1 da r cm o t i o nf o rt 1 1 er o b o ta r es t u d i e d a n d t h er e s u l t so f m ee x p e m e n f sa r ep r e 衔a b l e k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ；p w m ；m o t i o nc o n 仃0 l ；p mc o n n o l c l a s s n 0 ： 致谢 在论文完成之际，我要非常感谢我的导师程荫杭教授。 本论文的工作是在我的导师程荫杭教授的悉心指导下完成的，程荫杭教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此我衷心感谢三年 来程荫杭老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，同课题组的连秀林、罗金霞、齐元芹等同学， 在科研理论和实践中给予了我无私的帮助，陪伴我走过了人生中这段难忘的时光， 在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的室友农梅、朱晓航在学习和生活上对我的关心和扶持，感谢在研究 生学习阶段所有关心和帮助过我的老师和同学们。 最后，我要感谢我的家人，他们在精神上的支持、鼓励和生活上的关心，使 我在十余年的求学路上不会感到孤单，使我能够顺利完成本论文的研究工作。 北京交通大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 移动机器人的发展概况 第l 章绪论 移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中 面向目标的自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。对它的研究始于6 0 年代末期， 斯坦福研究院( s r j ) 的n i l s s o n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年研制出了取 名为s h a k e y 的自主移动机器人1 1 】【2 】，如图1 1 所示，其目的是研究应用人工智能技术， 在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器 人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内 的运动，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名的是名为g c l l e r a le 1 e c t r i c q u a d n l p e d 的步行机器p j 。 图l ls h a l ( e y 图l 2c a s 认一i 7 0 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人的研究又出现了新 的高潮。特别是在8 0 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著 名的公司开始研究自主移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验及研究机构 的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。 9 0 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动 机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究【4 1 。 其中的代表有：1 9 9 7 年美国发射到火星表面的索杰纳( s o j o 啪e r ) ；2 0 0 4 年成功登陆火 北京交通大学硕士学位论文第l 章绪论 星的“勇气号”和“机遇号”火星探测器。 国内移动机器人的研究起步较晚，大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段，主要 研究工作有：中国科学院自动化研究所自行研制的c a s 队i ，如图1 2 所示；清华大 学研制的智能车删r v ，采用分层递阶的体系结构，基于以太网通信，集成有c c d 摄像机、激光雷达、磁罗盘光码盘、g p s 等多种传感器，能够实现结构化环境下的车 道线自动跟踪，以及复杂环境下的道路避障、道路停障，最高车速达到1 5 0 h r 儿；哈尔 滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避障、识别语音并能与人对话、 用于服务场合的导游导购等。 移动机器人按工作环境来分：室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式来分： 轮式移动机器人、步行( 足式) 移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机 器人等；按照控制体系结构来分：功能式( 水平式) 结构机器人、行为式( 垂直式) 结 构机器人和混合式机器人；按功能和用途来分：医疗机器人、工业机器人、服务机器人、 清洁机器人、农业机器人等；按作业空间来分：陆地移动机器人，水下机器人、无人飞 机和空间机器人；按执行任务的职能水平来分：自主式、半自主式和遥控式移动机器人。 本文主要研究的是轮式移动机器人。 1 2 研究内容及发展趋势 移动机器人要想走向实用，必须拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的 感知能力，并具有既安全又友好的与人一起工作的能力。移动机器人的职能指标为自主 性、适应性和交互性。自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自觉确定工 作步骤和工作方式；适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力，不但能识别和测 量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和 移动的能力；交互性智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人以及机器人 之间的信息交互，主要涉及信息的获取、处理和理解。 目前影响移动机器人技术研究的因素主要有：导航与定位、通讯、传感技术和运动 控制策略等。步入2 1 世纪，随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器的不断研制、 计算机运算速度显著提高和机器人应用领域的进一步扩大，移动机器人技术将逐渐得到 完善和发展。移动机器人技术的研究内容与发展的趋势包括以下几个方面： 1 、多传感器信息融合技术 环境感知能力是移动机器人处理移动之外最为基本的一种能力，感知能力的高低直 接决定了一个机器人的智能性。 移动机器人传感器主要是对机器人自身位姿信息以及外部工作环境信息的监测和 2 北京交通大学硕士学位论文 第l 章绪论 处理。对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控的为内部传感器。感知、 处理机器人所处的工作环境的静态和动态信息的为外部传感器，通常有：视觉传感器、 超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。 各种新型传感器的出现，在极大的扩展了机器人的感知空间和提高感知精度的同 时，也带来了多传感器的容错、效率和协调等一系列问题。为了解决以上问题，并充分 高效的利用这些传感器信息，多传感器信息融合技术应运而生，它可以有效地降低信息 获取成本，提高系统的测量精度和容错能力，并有助于提高信息处理的速度，提高完整 描述环境的能力。 移动机器人多传感器信息融合的研究始于8 0 年代。信息的融合可以在不同的层次 上进行，如像素级融合、特征级融合和决策级融合；可以有不同的算法模块，如互补模 块、冲突仲裁模块、协调模块和错误纠正模块等。目前多传感器融合的常用方法有：加 权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、统计决策理论、d s 证据推理、神经网络和模糊 推理法以及带置信因子的产生式规则。 2 、导航与定位技术 导航和定位是移动机器人研究的两个重要问题。移动机器人的导航方式可分为：基 于环境信息的地图模型匹配导航；基于各种导航信号的路标导航、视觉导航和味觉导航 等。 作为移动机器人导航最基本环节，定位是确定机器人在二维工作环境中相对于全局 坐标的位姿。定位方法根据机器人工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量等不同有 多种方法。主要方法有：惯性定位、路标定位和声音定位等。 3 、路径规划技术 路径规划是自主移动机器人导航的基本环节之一。它是根据某一性能指标搜索一条 从起始状态到目标状态的最优或近似最优的无碰路径。根据机器人对环境信息知道的程 度不同，可分为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部 分未知，通过传感器在线地对机器人的工作环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状 和尺寸等信息的局部路径规划。 全局路径规划包括环境建模和路径搜索策略两个子问题。其中环境建模的主要方法 有：可视图法( v 二g r a p h ) 、自由空间法口r e es p a c ea p p r o a c h ) 和栅格法( g r i d s ) 等；路径搜 索策略主要有：a 算法、d t 最优算法等。局部路径规划的主要方法有：人工势场法 血i 丘c i a lp o t e l l t i a lf i e l d ) 、遗传算法( g e n e t i ca 1 9 0 r i t h m ) 和模糊逻辑算法( f u z z yl o 百c a l g o r i t h m ) 等。 4 、跟踪控制 跟踪控制是移动机器人运动控制的一个重要问题，也是一个非常实际的问题，分为 轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种【5 1 。在轨迹跟踪控制中，移动机器人要求跟踪的期望 北京交通大学硕士学位论文第l 章绪论 轨迹是以时间关系曲线图给出的，而在路径跟踪控制中，期望轨迹是由几何参数描述的。 当要求机器人必须在一个特定的时间达到一个特定点时，必须采用轨迹跟踪控制；当要 求机器人以一个期望的速度跟踪一条由几何参数给出的路径时，可以采用路径跟踪控 制。已有的轨迹跟踪方法在数学上很完美，并且得到许多有意义的结果，但对于设计实 际的跟踪控制器来说，还有许多实现上的问题。 5 、网络机器人技术 随着计算机网络的扩展延伸，网络技术的发展完善，通过计算机网络遥控机器人， 为人机交互技术、监控技术、远程操作技术和图像与控制命令的网络传输及并发多进程 数据通讯技术提出了更高的挑战。 6 、通讯技术及多机器人协调 目前多机器人系统的研究尚处于理论研究阶段，对于多机器人系统体系结构与协作 机制、信息交互以及冲突消除等方面将是多机器人系统的进一步研究方向。 多机器人系统的研究分为多机器人合作和多机器人协调两大类，主要研究给定一个 多机器人系统任务后，如何组织多个机器人去完成任务，如何分解和分配任务以及如何 保持机器人之间的运动协调一致。机器人足球就是一个典型的多机器人系统。 1 3 课题背景和主要研究工作 本文结合北京交通大学运输自动化科学技术研究所一智能移动机器人设计开发与 研制”自筹基金课题，在上届同学搭建的移动机器人平台上，对非结构环境下轮式移动 机器人体系结构进行了介绍，并就电源系统硬件设计、系统软件和直流电机数学模型等 问题做了进一步的研究，并做了一定的实验。 现将内容概述如下： 第一章综述国内外移动机器人的发展历史、研究内容和发展趋势，介绍了本文的 选题背景及主要研究工作。 第二章介绍了移动机器人s y l 0 1 2 的系统体系结构，和系统构成，包括控制系统、 移动机构和感知系统。 第三章移动机器人运动控制系统设计，包括控制电路、驱动电路和信号隔离电路 对原有电源系统进行了设计，使得移动机器人脱离了2 2 0 v 交流电，从而实现了移动机 器人的自由行走。在了解硬件的情况下，对系统的软件进行了研究，在c c s 环境下用 c 语言编写了p w m 控制、转速测量和串行通讯等程序，实现了移动机器人的运动控制 的基本功能。 第四章研究了系统的控制算法。为了使系统工作更为稳定和精确，适应复杂工作 4 北京交通大学硕士论文 第1 章绪论 环境，本文采用了p d 控制算法，并对其进行了仿真实验。 第五章进行了移动机器人直线、旋转和圆弧运动的实验，给出了实验结果，并进 行了误差分析。 第六章整个论文的结束语，对现有工作和成果做了总结，指出了有待改进之处， 并提出了今后工作的重点和研究方向。 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 完整的移动机器人系统通常由控制系统、移动机构和感知系统组成。本章主要介绍 了s y l 0 1 2 移动机器人的体系结构，系统构成和性能指标。 2 1s y l o l 2 的系统体系结构 对于一个具体的机器人系统，体系结构就是定义机器人系统各部分之间相互关系和 功能分配、信息处理和控制系统的总体结构f 6 】。智能移动机器人系统具有任务分析，规 划、推理、决策等多种功能模块，要使它们组成一个性能良好的系统，需要多种模块以 不同方式在不同层次的协调工作，近年来各国学者对移动机器人体系结构进行了大量的 研究，提出了很多适合于不同环境中运行的机器人体系结构，主要分为水平型、垂直型 和混合型三大类【7 1 们。 ( 1 ) 水平型体系结构 这种体系结构认为自主移动机器人的控制系统应该由感知系统、规划系统和执行系 统组成，机器人每规划一个动作都需要经过“感知建模规划动作”的整个流程，这种体 系结构中环境感知、系统建模、规划决策和动作执行等都是一步一步顺序执行的，整个 运行过程信号流程清晰。 ( 2 ) 垂直型体系结构 随着研究的深入，人们发现水平型体系结构存在许多缺陷。例如，开环的执行方式 不能处理环境中的不确定性和不可预知性；机器人行为动作的规划时间长，反应速度慢， 使移动机器人难以适应未知动态环境的实时性要求。因此，提出了基于行为的垂直型体 系结构，该结构将系统功能分解成并行的模块，每个模块独立地接收传感器的输入并规 划出各自的动作，各个模块之间通过缓冲单元实现异步通信，同时上层行为可以抑制低 层行为。 ( 3 ) 混合型体系结构 随着移动机器人研究的不断深入，要求移动机器人完成的任务越来越复杂，运动的 实时性和跟随性也要求越来越高，且对多机器人协作提出了更高的要求。由于单纯的基 于知识或者基于行为结构的机器人已无法满足机器人发展和应用的要求，结合两者优 点，国内外学者纷纷提出混合式体系结构方案【1 1 1 。混合式体系结构已成为机器人体系 结构研究的热点。 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 基于以上对移动机器人体系结构的分析，并且考虑到未知动态环境的实时性要求和 系统软硬件实现的可行性，本系统采用了基于多处理器并行处理的混合型体系结构，其 整体系统结构如图2 1 所示。 任务协调层 行为规划层 行为控制层 运动控制层 l 上位机l tt 多传感器信息融合行为规划 i c c d 信息处理 路径识剐 超声波信息处理避障 光电编码器信息处理定位分析 i+ 光电编码器运动控制器 + 直流电机驱动电路 图2 - l 系统结构图 本移动机器人体系结构采用分层的思想，将整个控制系统从上至下依次分为任务协 调层、行为规划层、行为控制层和运动控制层。 ( 1 ) 任务协调层 任务协调层的主要功能是通过异步串行总线接收来自行为规划层的任务请求以及 机器人本身的运行状态和环境信息，并对接受到的任务进行分解、综合、协调，再通过 异步串行总线将执行的任务传给行为规划层。 ( 2 ) 行为规划层 行为规划层对通过异步串行总线接收到的来自行为控制层和运动控制层的码盘、超 声等多传感器、c c d 摄像机等信息进行融合处理，生成机器人所在位置的环境信息，同 时将融合信息和机器人的当前运行状态传送给任务协调层。根据来自任务协调层的任务 指令，规划出机器人所应采取的具体的行为模式，并将此行为模式通过异步串行总线传 送给行为控制层。 ( 3 ) 行为控制层 行为控制层接收来自行为规划层的行为控制命令，实现移动机器人自主行动所应采 取的各种具体的行为模式。根据光电码盘传感器信息实现移动机器人定位行为，根据超 7 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l o l 2 机器人体系结构研究 声传感器信息实现机器人避障行为，根据c c d 摄像机信息实现机器人路径识别行为。 ( 4 ) 运动控制层 运动控制层直接涉及到机器人环境感知和运动控制等硬件系统，包括传感器信号预 处理、转向控制、速度控制、位置伺服等模块，是机器人完成各项任务和实现各种自主 行为的基础。 如图2 2 所示为移动机器人s y l 0 1 2 整体图。 2 2 系统构成 2 2 1 控制系统 图2 - 2 s y l 0 1 2 整体图 运动控制系统是移动机器人的执行系统，它根据上位机所发送的左右轮速度指令实 现机器人的前进、后退和转弯等不同动作，同时实现控制量和速度信息计算、控制脉冲 输出等。 运动控制系统主要分为三大部分：控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通过s c i 接收上位机发送 的速度指令，通过驱动放大电路来控制直流电机的运动，并将测得的速度发送给上位机； 执行机构为两个直流伺服电机；光电编码器负责收集机器人本体的运动状态信息。如图 2 3 所示为控制系统结构图。 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 一驱动电路卜， 直流电机p w m 控制 上 左右轮速度命令 位s c l 光电编码器 i l v l o j u f 上o l 二口l 机 左右轮速度反馈 ic a p q e p 2 2 2 移动机构 图2 3 控制系统结构图 本文所设计的移动机器人采用差动轮式驱动方式。它有两个驱动轮，每个驱动轮固 定不可转向，且有独立的电气驱动模块和变速机构，驱动轮的轮距为o 5 m ，轮径为 o 1 8 m 。在移动机构的前后两侧的驱动轮轴线的中垂线上，各装有一个平衡轮。其移动 机构图如图2 4 所示。 左轮 图2 4 移动机构图 变速机构采用传动比为l ：1 的齿轮传动装置，如图2 5 所示。为了测量驱动电机 的转速，在底板下两后轮的转轴内侧装有1 0 2 4 线的光电编码器，与后轮同速旋转，本 系统测速主要利用它。 9 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 图2 5 传动齿轮图 这样的机构使机器人外形设计灵活，降低了能量消耗，增强了机构的负载能力，扩 大了底盘机构的支撑面积，并且能在狭窄的空间实现快速的自由移动和绕自身几何中心 以零半径自转。 2 2 3 感知系统 任何机器人都离不开传感器，机器人要具备只能行为必须不断感知外界环境，从而 做出相应的决策行为。传感器大致可分为内部传感器和外部传感器。检测机器人本身状 态的是内部传感器，检测机器人所处环境及状况的是外部传感器。 本系统选用的内部传感器是汇通电子公司生产的s z a 6 l 1 0 2 4 e v - 1 2 g 型增量式光 电编码器，其技术指标为： ( 1 ) 实心轴，轴径为6 m m ； ( 2 ) 每转输出1 0 2 4 个脉冲，有零电位信号； ( 3 ) 工作电压为直流1 2 v 。 本系统选用的外部传感器有超声波传感器和c c d 摄像机两种，分别用来摄取环境 信息和检测当前障碍物距离。 超声波传感器：选用6 个s s c o m p 公司p o l a r o i d6 5 0 0 系列超声波传感器，每个传 感器的方向角为3 0 度，覆盖前方1 2 0 度的探测范围； c c d 摄像机：采用“p o l i c1 3 ”c c d 彩色摄像机，最高分辨率是7 6 8 x 5 7 6 ，工作电 压为直流1 2 v ，将它安装在移动机器人的正前方。镜头的视场范围为车体前方大约1 4 米到2 8 米，高度可以自由调节。为了使目标成像有一定的清晰度，本系统选用了焦距 为8 姗的固定焦距镜头。 l o 北京交通大学硕士学位论文第2 章s y l 0 1 2 机器人体系结构研究 2 3 性能指标 总结移动机器人s y l 0 1 2 的整体性能指标为： 运动平台长：o 6 m ；轮距：o 4 m ；高：o 6 m ；重：2 0 埏；负载：9 0 k g ； 最大直线速度：o 5 m s ；最大加速度：2 i n s 2 ； 电机：驱动电机选3 6 w 2 4 v ，减速比为9 0 ：1 的永磁型直流减速电机； 轮系结构：差动轮式驱动，两驱动轮和两平衡轮正交分布： 光电编码器：选用汇通电子公司生产的s z a 6 l 1 0 2 4 e v _ 1 2 g 型增量式光电编码器； 超声波传感器：选用6 个s c n s c o m p 公司p o l a r o i d6 5 0 0 系列超声波传感器，每个传 感器的方向角为3 0 度，覆盖前方1 2 0 度的探测范围； 视频传感器：采用c c d 摄像机和大恒公司c g 4 0 0 彩色，黑白图像采集卡； 车载主控机：采用研华嵌入式计算机p m c 3 3 7 0 ，c c l e r o n6 5 0c p u ，2 5 6 m br a m ， 外挂8 0 g b 硬盘，p c 1 0 4b u s 和p c 1 0 4 + b u s ； 人机交互系统：采用s 脚公司的l o 英寸液晶显示屏。 北京交通大学硕士学位论文 第3 章运动控制系统设计 第3 章运动控制系统设计 运动控制系统是移动机器人的执行系统，它根据上位机所发送的左右轮速度指令实 现机器人的前进、后退和转弯等不同动作，同时实现控制量和速度信息计算、控制脉冲 输出等。 3 1 硬件设计 如图3 1 所示为移动机器人运动控制系统的硬件结构框图。 图3 1 硬件结构框图 图3 - 2 硬件实物图 1 2 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 接收上位机传送的左右轮速度，由2 8 1 2 内部的事件管理 器e v a 和e v b 输出脉宽调制信号p w m l 和p w m 7 ，经过驱动放大电路控制两个直流 电机的运动。光电编码器与直流电机同轴相连，其输出的脉冲信号与2 8 1 2 的c a p q e p 相连，通过光电编码器可以测出左右轮实时速度，通过s c i 传给上位机，以实现速度的 闭环控制。 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器 控制系统的核心是t i 公司的1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 控制器，它是特别适合运动控制 和电机控制领域的处理器，是t i 公司最新推出的3 2 位定点d s p 控制器。其功能框图 如图3 3 所示，归纳起来，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 有以下特点【1 9 i ： 采用高性能的静态c m o s 技术，主频达1 5 0 正h z ，低功耗设计； 支持j t a g 边界扫描接口； 高性能的3 2 位c p u ，采用哈佛总线结构，统一寻址模式； 片上存储器： f l a s h ：1 2 8 k 1 6 一位； s r a m ： 1 8 k 1 6 位； b o o t r o m ：4k x l 6 位； o t p r o m ：1k x l 6 位。 其中f l a s h 、o ，r p r o m 和8 k 1 6 位s r a m 受密码保护。 三个外部中断，外部中断扩展模块( p m ) 支持4 5 个外设中断； 电机控制外设，两个与f 2 4 0 x a 兼容的时间管理器模块，每个管理器模块包括： 两个1 6 位通用目的定时器； 8 通道1 6 位的p w m ： 不对称、对称或四个空间矢量p w m 波形发生器； 死区产生和配置单元； 外部可屏蔽功率或驱动保护中断； 三个完全比较单元； 三个捕捉单元，捕捉外部事件； 正交编码脉冲电路； 同步模数转换单元。 1 2 位模数转换模块：2 8 通道、两个采样保持电路、单健续通道转换； 两个i m r t 接口模块( s c i ) ，一个串行外设接口( s p i ) ，个增强型e c a n 2 o b 接 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 口模块、一个多通道缓冲串口( m c b s p ) ； 片上存储器： 仁爿。默器箸 几a s h ：1 2 s k 1 6 位 s r a m ：1 8 酗1 6 一位 b o o t r o m ：4 k x l 6 - 位 o t p r o m ；lk 1 6 - 位 片上外设： 主 l j r t c + e e p r o m 。 r 球冲输出 p w m 输出：1 2 通道 g 忍 i 入 ： q e p 输入；6 路 暑 辱= 刮u s b zo 卜 薯【量输a - ： 加输入：1 6 通道 笤 u s b 2 0 接口 芏 驱动卜 s c i 串口：2 通道 吾 叫啦黼巨 狐s 4 8 5 瓜s 4 2 2 s p i 串口：1 通道 报s 4 8 5 瓜s 4 2 2 d ，a 输出 m 5 b s p ：l 通道 j d s p 总线 j e j 扩展总线( 数据，地址，s p i 、m s b s p ) 、 3 1 2 驱动电路 图3 31 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 功能框图 电机是本系统设计的输出端和执行元件，其驱动控制电路设计的好坏直接影响到机 器人的运动特性。下面我们讨论电机的驱动控制原理，并设计了h 桥驱动控制电路。 1 、直流电机调速控制原理【2 0 】 直流电机的转速n 的表达式： n ：匕二垡 ( 3 - 1 ) e 中 其中u 。一电枢电压( v ) l 一电枢电流( a ) r 一电枢回路总电阻( q ) o 一每极磁通量( 、b ) c - 一电机结构参数 由式( 3 1 ) 可知，直流电机转速的控制方法可分为两类：励磁控制法和电枢电压控制 法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁饱和强度的限制， 1 4 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应 较差，所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式，开关驱动方式是使半导体功率器件工作在 开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电动机电枢电压，实现调速。 2 、p w m 调速原理 电动机的电枢绕组两端的电压平均值玑为： 以= 群= 争以吨 ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中口一占空比，口= 鲁 占空比口表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，其变化范围为 0 口1 。由式可知，当电源电压以不变的情况下，电枢的端电压的平均值玩取决于 占空比瑾的大小，改变口的值就可以改变端电压的平均值，从而达至q 调速的目的，这就 是p w m 调速原理。 在p w m 调速时，占空比口是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比口的 值。 ( 1 ) 定宽调频法 这种方法是保持 不变， ( 2 ) 调宽调频法 这种方法是保持f ：不变， ( 3 ) 定频调宽法 只改变f ：，这样使周期r ( 或频率) 也随之改变。 而改变f l ，这样使周期r ( 或频率) 也随之改变。 这种方法是使周期丁( 或频率) 保持不变，而同时改变f 1 和f ，。 前两种方法是由于调速是改变了控制脉冲的周期( 或频率) ，当控制脉冲的频率与 系统固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机 的控制中，主要使用定频调宽法。 3 ，驱动电路图 该电路由集成运算放大器s e ck f 3 4 7 、n 沟道m o s 管强5 4 0 n 、p 沟道m o s 管 疆9 5 4 0 n 以及n i n 三极管c 9 0 1 2 和p n p 三极管c 9 0 1 3 构成的，如图3 - 4 所示。由于 电机的驱动电压为2 4 v ，所以采用1 2 v 稳压管对m o s 进行过压保护。 当u 1 运放输出端为低电平( 约为l v 至2 v ，不能完全达到零) 时，下方的三极管 t 2 截止，场效应管d t 3 因g s 问加入电源电压而导通。三极管t 1 由于加上了电源电 压而导通，场效应管d t l 的g s 闻电压为o 而截止，输出端电流方向为由o u t l 流入地； 当u 1 运放输出端为高电平( 约为2 2 v 二2 3 v 之间，不能完全达到2 4 v ) 时，与刚才的情 况相反，三极管t 2 导通，场效应管d t 3 截止。三极管t l 截止，场效应管d t l 导通。输 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 出端电流方向为从o u t l 流出，实现电机的换向。同理，当u 2 运放输出端为高电平时， 输出端电流方向为由0 u r 2 流出；当u 2 运放输出端为低电平时，输出端电流方向为由 0 u t 2 流入地。因此，当u l 输出低电平，u 2 输出高电平，电机上电流由o u t 2 流向 o u t l ，反之则由o u t l 流向0 u t 2 ，电机也反转。 3 1 3 信号隔离电路 图3 4h 桥驱动电路图 睦童一 ，蚓錾透隍端 矸 l 5 2 l - i 图3 - 5 信号隔离电路 1 6 + 5 v 北京交通大学硕士学位论文 第3 章运动控制系统设计 信号隔离电路主要是把控制电路和驱动电路之问的控制和驱动信号通过光电隔离 器进行信号隔离，实现不同电源之间的信号传输。在本系统中我们采用高速光耦6 n 1 3 7 和低速光祸t p l 5 2 1 - l 对来自控制器的p w h 7 信号和d r u 信号进行隔离。如图3 5 所示。 3 1 4 光电编码器及接口电路 测速元件是速度闭环控制系统的关键元件，对于模拟量测速元件，通常采用直流测 速发电机，这已被广泛应用于速度伺服系统中。对于数字式测速元件，为便于计算机控 制和提高测速性能，在机器人系统中，通常采用光电编码器作为速度反馈元件。光电编 码器具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，有利于控制直流伺服电机。 1 光电编码器 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字 量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同 轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装 置检测输出若干脉冲信号；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动 机的转速。 光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三 种。增量式光电编码器直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 、b 和z 相；a 、b 两组脉冲相位差9 0 。，而z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。但是不能直接输出轴 转动的绝对位置信息。其a 、b 相输出波形如图3 6 所示。 a 相i 厂 厂 厂 b 相厂 厂 厂 图3 - 6 光电编码器输出波形 2 、接口电路 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与光电编码器的接口电路如图3 7 所示。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第3 章运动控制系统设计 1 l p 5 5 0 幽3 71 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与光电编码器的接口电路 图3 7 中t l p 5 5 0 是高速光藕，用来实现模拟和数字电路的隔离；7 4 h c l 4 是高速 c m o s 反相器，实现对输入脉冲信号的整形。光电编码器输出的三路脉冲信号a 、b 、 z ，经过光电隔离和整形后直接送入d s p 的q e p c a p 引脚。 q e p 电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，然后产生一个方向信号作 为通用定时器2 ( 或4 ) 的方向输入，如果c a p l ，q e p l 引脚的脉冲输入是相位超前脉 冲序列，那么定时器就进行递增计数；相反，如果c a p 2 q e p 2 引脚的脉冲输入是相位 超前脉冲序列，则定时器进行递减计数。此外，q e p 电路对编码输入脉冲的上升沿和 下降沿都进行计数，因此，q e p 电路产生的通用定时器的时钟输入是每个输入脉冲序 列频率的4 倍。 3 2 电源系统设计 移动机器人要求能够自由行走，而系统构成又比较复杂，各功能模块供电要求各不 相同，因此电源系统设计非常重要，它关系到整个系统的运行。 1 、各模块供电需求 直流电机：d c 2 4 v ； 驱动电路板：d c 2 4 v 和d c 5 v ( 隔离) ； 显示器、c c d 摄像头：d c l 2 v ； d s p ：d c 5 v ： 硬盘和p c i 0 4 ：供电比较复杂。 2 、原有电源系统设计 北京交通大学硕士学位论文 第3 章运动控制系统设计 原有的电源系统供电模块主要分为1 2 v 蓄电池、微机1 l 型电源( 提供直流5 v ) 和2 2 0 v 交流电三个部分，如图3 8 所示。由于没有脱离2 2 0 v 交流电，因此移动机器 人平台只能带着2 2 0 v 电源线行走。 图3 8 原电源系统设计原理图 3 、电源系统设计 系统需要自由行走，因此电机、计算机和传感器的电源供应只能由移动机器人自身 携带。本文在对上届同学电源系统研究的基础上，根据系统的实际，提出了电源系统新 的设计方案，如图3 9 所示。 在设计过程中，考虑到我们所用的蓄电池只能提供1 2 v 电压，因此采用了1 2 v 转 5 v 的电源模块5 0 w 1 2 s 5 。为了方便的使用，我们设计了简单了电路板，在该电路板上 有输入和输出接口，只需要根据供电要求接线即可。其原理图如图3 1 0 所示。 图3 9 电源系统设计原理图 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 u lll | j p 2 7 ； i 一5 ：vl 6 r v d 4 l d p lg n d 5 = l l c o m2 ；5 l9 l j 。n d l 2 十5 v i ： 3 i f gv 0 3 i g n l ) 5i ： l |艘日d 1 2 = 2 斗5 v1 ： 4 g n d l 2 | 4 帕g a d 1 2 妇0 旺) 5 沣1 2v | i = 3 5 i 3 f -v纽gad 1 3ll 睁1 2 v 唼 5 + 1 2 、蔓1 2 手p 玉聊 1 4 ，5 v 、一 46 井5 v l 1 5ig 脚 7 手”打腿8 i 0 1 2 s 5 l 图3 一l od c 电源模块原理图 整个电源系统中，直流电机需要2 4 v ，驱动电路需要2 4 v 和两个5 v ( 需要进行隔 离) ，显示器c c d 摄像头需要1 2 v ，d s p 需要5 v 电压。而硬盘和p c l 0 4 的供电比较复 杂，所以保留了原有的机箱电源。因此，我们采用5 个1 2 v 的蓄电池进行供电。蓄电 池1 和蓄电池2 串联起来为直流电机和驱动电路供电；蓄电池3 直接给显示器供电：蓄 电池4 给5 0 w 1 2 s 5 和c c d 摄像头供电，5 0 w 1 2 s 5 是一个直流1 2 v 转5 v 的模块，输 出5 v 电压给d s p 和驱动电路供电；蓄电池5 接车载逆变器，输出2 2 0 v 交流电，再通 过机箱电源，给硬盘和p c i 0 4 供电。通过以上设计，各功能模块均能正常工作，也就 实现了机器人的自由行走。 3 3 软件设计 本系统软件设计均在c c s ( c o d ec o m p o s e rs n l d i o ) 环境中采用c 语言编写程序。 3 3 1p w m 控制 在前面的控制系统设计中，我们讨论了p w m 控制技术的原理和电路实现。而最终 要能控制电机的运转，还需要软件来产生p w m 波。 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的每个事件管理器模块可以同时产生8 路脉宽调制( p w m ) 信号， 包括3 对完全比较单元产生的死去可编程p w m 信号以及由通用定时器比较器产生的2 路独立的p w m 信号。 本文利用e 、，a 的比较单元输出p w m l 和e v b 的比较单元输出p w m 7 来分别控制 左右两个直流电动机，利用d s p 的比较单元很容易产生p w m 信号，只需按顺序设置 表3 1 的寄存器。改变周期寄存器1 如r 即改变p w m 信号的周期，改变比较寄存器 c m p r x 即改变p w m 信号的占空比。 2 0 北京交通大学硕士学位论文第3 章运动控制系统设计 表3 1 比较单元操作寄存器步骤 对于e v a对于e v b 设置t 1 p r设置t 3 p r 设置a c n 乙设置a c m 初始化c m p r x初始化c m p r x 设置c o m c o n a设置c o m c o n b 设置t 1 c o n设置t 3 c o n 更新。删r x更新c m p r x 本文采用定频调宽法进行p w m 调速且p w m 低有效，因此当c m p r x 为o x 0 0 0 0 时，输出占空比位1 0 0 ，即电机全速输出；当c m p r x 与t x p r 的值相等时，输出占 空比为o ，即电机保持静止。如图3 1 l 所示，定时器的周期t x p r 保持不变，改变比 较值c m p r x 就可以调整输出占空比。 定时器的值 p w m 低有效 3 - 3 2 转速测量 图3 1 1p w m 波形图 光电编码器测速的方法主要有m 法、t 法和m 厂r 法。m 法( 又称测频法) 是通过 测量一段固定时间间隔内的编码器脉冲数来计算转速的，适用于高速场合。t 法( 又称 测周期法) 是通过测量编码器两个相邻脉冲的时间间隔来计算转速的，适用于速度比较 低