（电工理论与新技术专业论文）基于arm7的两足步行机器人控制系统设计.pdf

南京师范火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb i p e dw a l k i n gd e s k t o p - r o b o ti sn o to n l ya p p l i e dw i d e l yi n t e a c h i n g , c o m p e t i t i o n sa n de n t e r t a i n m e n t s ，b u ta l s ot r e a t e da sar e s e a r c ht o o lo fb i p e dw a l k i n g i nt h i st h e s i s ，ac o n t r o ls y s t e mf o rb i p e dw a l k i n gd e s k t o p - r o b o ti sd e s i g n e d , w h i c hi s b a s e do na r m 7p r o c e s s o ra n de m b e d d e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m z c o s i i ，a n d w o r k sw e l li nt h em e c h a n i s mo ft h ek o n d o b i p e dw a l k i n gd e s k t o p - r o b o t aw a l k i n g p a t t e r nf o rt h eb i p e dr o b o ti sp r e s e n t e d , a n dt h er o b o tc a nw a l ks t a b l yo nt h ef l a l t h eh a r d w a r ec i r c u i tb a s e do nt h ea r m 7 - c o r ep r o c e s s o rl p c 2 1 3 1f o r t h er o b o t i sd e s i g n e d ，w h i c hi ss u i t a b l et ot h em e c h a n i c a lc o n f i g u r a t i o na n dt h ed r i v e r so ft h e k o n d or o b o t b a t t e r yi su s e da st h ep o w e r - s u p p l yo ft h er o b o tt oi n c r e a s et h ea g i l i t y , a n dt h ep h o t o e l e c t r i c i t y - c o u p l e r sa r eu s e dt oi n s u l a t et h ec o n t r o lc i r c u i tf r o mt h ed r i v e c i r c u i tf o rm o r es t a b i l i z a t i o na n ds a f e t y t h eh a r d w a r ec i r c u i ti st e s t e dt ow o r k sw e l l ， a n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i ti sc o r r e c t t h eo p e n c o d eo p e r a t i n gs y s t e m 比c o s i ii se x p l a n t e dt ot h ep r o c e s s o ro ft h e c i r c u i t u n d e rt h eo p e r a t i n gs y s t e m ，s e v e r a lt a s k sa n di n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e sa r e d e s i g n e dt oa c c o m p l i s ht h ef u n c t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e mf o rt h eb i p e dw o r k i n g r o b o t t h ef r a m eo fs o f t w a r ei sc o m p l e t e d ，w h i c hi sf o rt h ec o n t r o ls y s t e mf o rb i p e d w a l k i n gd e s k t o p - r o b o t ai m p r o v e dm e t h o do fp r o d u c i n gm u l t i p l ep w ms i g n a l si s p r e s e n t e d ，a n dt h ep r e c i s i o no ft h ec o n t r o ls i g n a lc a l lb ei m p r o v e dt o1l ls ，a n dt h e p r o b l e mt h a tt h er o b o ts h a k e sb e c a u s eo ft h ei n t e r r u p t n e s t i n gi ss o l v e d at e s tt ot h e a r t i c u l a t i o n so ft h er o b o ti sd o n e t h e s i m p l ek i n e m a t i c sm o d e li np o s s e s s i o no fm u l t i p l er i g i ds h a n k si sb u i l t t h e s t a t i cw a l k i n gp a t t e r nf o rt h er o b o ti sd e s i g n e da n dc o m ei n t ot r u ei nt h ec o n t r o l s y s t e m ，w h i c hm a k e st h er o b o tw a l ks t a b l yo nt h ep l a t a n dt h ed y n a m i cw a l k i n g p a t t e r nf o rb i p e dw a l k i n gr o b o ti sb u i l tb a s e do nt h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i co f t h r e e - d i m e n s i o n a ll i n e a ri n v e r t e dp e n d u l u m t h ee m u l a t i o no ft h ed y n a m i cw a l k i n g p a t t e r ni sd o n ei nt h em a t l a bt om a k ep r e p a r a t i o nf o r t h ef u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：b i p e dr o b o t ；a r m ；w a l k i n gp a t t e r n ；e m b e d d e ds y s t e m 南京师范大学硕：上二学位论文 前言 桌面型两足步行机器通常指体积较小的两足步行机器人。与具有一系列拟人 功能的大型拟人机器人( 类人机器人) 相比，桌面型两足步行机器人具有机械结构 相对简单、成本低、具有很强的观赏性和娱乐性，也可以用于科研和教学，以及 参加各种机器人大赛。 当前在两足机器人控制系统中常用的处理器有很多，从数据处理能力很弱的 8 0 5 1 系列单片机到数据处理能力极强的t ic 6 0 0 0 系列d s p ，从专门针对特定机 器人设计的i c 到通用性很强的p c i 0 4 和p o w e r p c 单板机。众多的处理器中，有 些不支持操作系统，有的支持很多种嵌入式操作系统。常见的嵌入式操作系统有： d s p b i o s 、w i n c e 、pc o s i i 、v x w o r k s 、uc - l i n u x 和r t - l i n u x 等。 本文在使用了“k o n d o 一两足步行机器人的机械结构的基础上，选用a r m 7 处理器设计了控制电路，包括原理图和p c b 设计。先设计了通用核心板和专用的 外围电路，采用两块电路板组合的方式控制机器人，验证了设计原理的正确性， 但是电路体积较大：后来又设计了一体化的体积很小的单板，功能不变，且体积 能够满足机器人的严格要求。 完成电路设计的基础上，在a r b l 7 处理器中移植了i lc o s - i i 操作系统，并 在操作系统下设计了多个应用软件，建立了完整的两足步行机器人控制系统软件 框架的；分析了常见的多路p 删产生方法的缺点，对其进行了改进，提高了精度， 解决了由于p w m 精度不够而导致机器人颤抖的问题。 在完成了硬软件设计的基础上，为两足机器人设计了静态步行模式，实现了 两足步行机器人在平面上的稳定步行。并在m a t l a b 中对动态步行模式进行了仿 真，为进一步的研究打下基础。 本文设计的两足步行机器人控制系统不但可以作为科研和二次开发平台，也 可以用于参加江苏省大学生机器人大赛和全国机器人大赛中的多个项目；设计的 a r m 7 核心板具有很强的通用性，可以用在平时的电子设计中。 m 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以口求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名： i 鱼：盔 日期：旦r r 9 蜘一 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：f 童：盘 日期：赵逖! 盏：! 鱼 南京师范大学硕士学位论文 第一章绪论 两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动 的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人。拟人机器人( 仿人机器 人) 口加大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能口3 1 ，而且通常还具有视觉、语 音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行 功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢 足球机器人口7 1 。 与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外， 还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。国内外的机器人大赛中，常 常可以看到桌面型两足步行机器人的身影。 1 1 课题的研究背景和意义 由于两足步行机器入的拟人性和对环境良好的适应性乜门等特点，受到各国政 府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一m - 【副。它在科研、教 学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。 江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器 人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、r o b o c u p 类人组机器人 踢足球比赛、机器人创新比赛、r o b o c u p 救援组比赛等。笔者有幸作为队员参加 了2 0 0 6 年“南工大杯江苏省大学生机器人大赛”，并获得奖项。参加舞蹈机器人 比赛时使用了日本“k o n d o 两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞 蹈机器人比赛的冠军。但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不 开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。所以本文基于机器人控制系统中 常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“k o n d o 机器人机械结构的 特性，选用了a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 和uc 0 s i i 操作系统自主设计并实现 了两足步行机器人控制系统，用来替换原来“k o n d o 机器人自带的控制系统。 设计的控制系统除了可以参加各类大学生机器人大赛外，也可以作为学校工程实 验训练中心的大学生科研创新活动的训练平台，用来研究机器人步态或者进行二 次开发。 南京师范大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 步行是人与大多数动物所具有的移动方式，其中两足直立行走是人类特有的 步行方式，是所有步行方式中自动化程度最高，最为复杂的动态系统乜2 l 。最早从 工程角度研究双足机器人并获得成功的是早稻田大学的加藤一郎。1 9 7 2 年，加 藤实验室推出了w l 一5 双足步行机器人，这是世界上第一台双足机器人心州。 1 9 9 6 年1 1 月本田( h o n d a ) 公司展示了一个有两腿两臂的仿人型机器人p 2 ， 能在平地上行走、转弯、上下楼梯和跨越障碍，并可提5 公斤的重物和使用扳手 等简单工作：在此基础上，本田公司又连续开发了第二代仿人机器人p 3 ，第三代 仿人机器人a s i m o ，a s i m o 高1 2 0 c m ，行走质量很高，非常接近人类。s o n y 公司 也推出了能歌善舞的机器人q r i o ，不但具有非常出色的步行稳定性，而且具有 很强的自行辨认能力，甚至能在狭隘道路上行走并绕过障碍物。这两个机器人代 表了当前世界上两足步行机器人研制的最高水平，如图1 - 1 所示。 a s i m o 和q r i o 都是拟人机器人，它们除了具有两足步行功能之外，还具有 非常强大的视觉功能和语音功能，能辨认很多目标，并能和人进行很好的语言及 肢体交流。而桌面型的两足机器人也一直受到研究者的重视，研究的重点是两足 步行功能。 謦 零遥 宅 图卜1 本田的a s i m o ( 左) 和s o n y 的q r i o ( 右) 2 0 0 6 年，日本神奈川大学设计的w a b i a n - 2 l l 机器人，身高1 2 0 c m ，重4 0 k g ， 在步行中通过膝关节改变腿长，通过腰关节的运动来减少腿部运动对身体重心的 影响m ，如图卜2 ( 左) 所示。 2 0 0 7 年，大坂大学的k o hh o s o d a 等人研究了人类行走过程中的腿、腰、头、 手臂等各部分的协同作用，在两足机器人中引入了三维极限环协同理论啤3 ，设计 的机器人p n e u m a t b t 如图i - 2 ( 中) 所示。 随着集成电路的发展，小型机器人可以具有功能越来越强大的嵌入式计算系 统，甚至可以使用运算能力很强的图像处理和模式识别系统。这使得桌面型两足 步行机器人和拟人机器人之间并没有严格的区分标准。2 0 0 7 年，东京d e n k i 大 2 南京师范大学硕士学位论文 学的h i d e t os h i m i z u 等人设计了小型两足步行机器人h o a p 一3 ，身高6 0 c m ，重 8 8 k g ，共有2 8 个自由度阳3 ，具有一个强大的视觉处理系统，如图1 - 2 ( 右) 所示。 簟? 诵篚羚。 ，妒己脚罗 美避谣 爱一 图1 - 2w a b i a n - 2 l l ( 左) 、p n e u m a t b t ( 中) 和h o a p 一3 ( 右) 2 0 0 6 年，西班牙p o l i t 6 c n i c ad ev a l e n c i a 大学的a l b e r o 和b l a n e s 等人 设计了具有高性能分布式控制系统的桌面型两足机器人y a b i r o - - i in 叭，身高 5 5 c m ，重4 k g ，共2 7 个自由度，具有独特的腰部三自由度结构，如图1 - 3 ( 左) 所示。该机器人使用了多个嵌入式系统，主控制系统使用了嵌入式个人计算机和 实时l i n u x 操作系统，具有非常强大的数据处理能力：主、从控制系统以及传感 器之间使用d u a l c a n 总线通信。 2 0 0 6 年，韩国国立釜山大学开发了脚底安装有力传感器的桌面型两足机器 人，该机器人身高2 8 c m ，重3 2 k g ，如图卜3 ( 中) 所示。同年，韩国s u n gk y u n k w a n 大学也开发了一个桌面型两足步行机器人n2 | ，身高4 5 c m ，重4 3 k g ，共2 4 个自由度，如图1 - 3 ( 右) 所示。该机器人使用了t i 公司的d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 7 作 为控制器，使用直流无刷电机作为驱动器，在两足步态设计中引入了遗传算法。 图卜3y a b i r o - i i ( 左) 、釜山大学机器人( 中) 和s u n gk y u nk w a n 大学机器人( 右) 3 一酲一 南京师范人学硕士学位论文 我国从8 0 年代中期才开始研究两足步行机器人，国防科技大学1 9 8 8 年研制 成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人，能实现前进、后退和上下楼梯； 1 9 9 0 年，实现了实验室环境中的全方位行走，1 9 9 5 年，实现了动态步行。 2 0 0 0 年1 1 月，国防科技大学又研制出了我国第一台具有人类外观特征、可 以模拟人类行走与基本操作功能的拟人两足步行机器人p i o n e e r o 。 2 0 0 2 年，清华大学精密仪器系、机械工程系和自动化系组成的研究小组开 始研究开发拟人机器人t h b i p ，共3 2 个自由度，可以步行、上下楼梯、打太极 拳等，并具有视觉及语音识别功能乜钔乜勃。 两足机器人的研制发展过程，是由少自由度到多自由度、由实现简单动作到 复杂动作、由静态步行到动态步行、由仅从简单功能到仿生功能的研制过程。 1 3 本文的主要工作及创新点 本文以“k o n d o 一两足步行机器人的机械结构为基础，选用a r m 7 内核处理器 和i ic o s i i 操作系统，设计了两足步行机器人控制系统。主要工作包括： 1 设计了两足步行机器人的硬件电路。选用a r m 7 内核的芯片l p c 2 1 3 1 作为处 理器，使用多个三态锁存器进行分时复用，并使用了光耦器件进行了控制部 分和驱动部分的隔离。 2 设计了两足步行机器人的软件系统。在a r m 7 处理器中移植了| lc o s i i 操 作系统；在操作系统下设计了多个应用程序，实现了两足机器人控制系统的 各项功能，搭建了完整的两足机器人控制系统软件框架。 3 设计并实现了两足步行机器人静态步行模式，并对基于三维线性倒立摆的动 态步行模式进行了仿真。 本文的创新点： 1 改进了通常的多路p 1 i m 波产生方法，使中断次数大大减少，p w m 信号的精度 提高到1i is ，解决了由于中断嵌套引起机器人颤抖的问题。 i 4 本文组织结构 第一章介绍了两足步行机器人的国内外研究现状、两足步行机器人控制系统 中常用的处理器和操作系统、以及“k o n d o 两足步行机器人的机械结构，并说 明了本文设计两足步行机器人控制系统的目的。 第二章使用p r o t e l 9 9 设计了两足步行机器人控制系统的硬件，包括电路原 理图设计和印制电路板( p c b ) 设计。先采用了核心电路板和外围电路板分离的方 式，设计了两个电路板，验证了电路原理的正确性，但是体积较大。然后设计了 4 南京师范大学硕上学位论文 一体化的单板，它的功能相当于核心板和外围板的组合，体积能满足机器人控制 系统的要求。 第三章在a r m 7 内核处理器中移植了uc o s - i i 操作系统，并实现两足步行 机器人控制系统的具体软件，改进了常见的多路p 1 j i m 产生方法并对两足步行机器 人进行了关节调试。 第四章建立了两足步行机器人多连杆数学模型，设计并实现了静态步行模 式，使机器人能在平面上稳定行走；并对动态步行模式进行了仿真，为进一步深 入研究打下基础。 第五章对本文的工作进行了总结，并对今后的深入研究提出了建议。 5 南京师范大学硕士学位论文 第二章两足步行机器人控制系统硬件设计与实现 在以比赛、娱乐、教学和研究为目的的两足步行机器人控制系统中，单板计 算机作为控制系统虽然运算速度快，但体积大、成本高，而且功耗大；而8 位单 片机作为处理器，由于硬件资源有限、运算速度慢，难以支持成熟的操作系统， 使多任务和模块化程序设计成为一种奢望。3 2 位a r m 7 处理器则可以很好地解决 这一问题口5 1 。 2 1 硬件系统的基本要求 的研究至今仍有许多未解决的问题m 1 。所以在设计两足步行机器人机械结构时， 会对人类步行的结构进行减化，只会考虑基本的步行功能阳儿博川。人类的仅下肢 就具有6 2 对肌肉，腰部8 对肌肉，在设计两足步行机器人时，要控制具有这么 多自由度的多变量系统几乎是不可能的事情，所以两足步行机器人通常腿部只具 有8 至1 2 个自由度，腰部具有0 至3 个自由度。 本文中选用的“k o n d o ”机器入是日本近藤株式会社开发的桌面型两足步行 机器人，身高3 4 c m ，臂长1 4 c m ，肩宽1 0 c m ，共有1 7 个自由度，驱动器为直流 伺服电机。其机械结构如图2 - 1 所示： ，鬃， 蕊三。：瓮 爹漕留f 一粤漓i 萝f 淄；嗜 盔l i i ；蘑“ 毒，、每。 图2 1k o n d o 机器人机械结构 如上图所示，“k o n d o 机器人1 7 个关节自由度( d o f ) 的分布如下表所示： 表卜lk o n d o 机器人d o f 分布 关节名称 躁 膝 髋腰肩肘颈 自由度 2 2 1 2 2 202 21 21 6 南京师范大学硕士学位论文 该机器人的机械结构具有如下特点： 1 该机器人是日本众多桌面型两足步行机器人中的佼佼者，它的机械设计具有 很高的稳定性，曾获得日本全国机器人比赛冠军； 2 该机器人踝关节和髋关节各具有两个自由度，这种机械结构设计可以使机器 人在不平地面站立； 3 该机器人膝关节具有一个自由度，可以通过膝关节改变腿长； 4 该机器人肩关节具有两个自由度，肘关节具有一个自由度，可以实现简单的 摆臂功能，用以配合腿部的运动，抑制摆腿时产生的左右扭转趋势。 5 该机器人的机械结构也具有一个缺点：没有腰部扭转自由度，使两足步行机 器人在行走中不能使用腰部关节进行姿态平衡h 副，但这并不阻碍机器人在平 地上的行走。 本文在“k o n d o 机器人机械结构的基础上，设计控制系统，用来替换其自 带的控制系统。本文设计的控制系统在硬件上至少满足如下6 个基本要求： 1 产生不少于1 7 路独立的高精度单边沿p w m 信号，用来控制作为“k o n d o 机 器人关节驱动器的1 7 个直流伺服电机。 2 具有调试接口； 3 具有一个与p c 机通信的接口； 4 具有掉电情况下仍能保存数据的存储器，可以存储关键数据； 5 具有多路a o 转换电路，用来扩展传感器。 6 具有独立而稳定的电源。 “k o n d o 一机器人所用的高精度直流伺服电机，控制信号为0 5 m s - - - 2 5 m s 高电平的p l q - i 信号，对应转角为0 。 - 一1 8 0 。，电机精度为0 1 。，则控制信号的 精度应该高于( 2 5 m s 一0 5 m s ) 1 1 8 0 0 1 1 1 1 s 。 2 2 硬件系统设计的技术路线和总体方案 2 2 1 处理器选型 二十年前，只有少数的几个科研机构在研究两足步行机器人，现在却不胜枚 举，这其中很重要的一个原因就是嵌入式计算机的高速发展n7 1 。嵌入式计算机由 于其体积小、功耗低、硬件资源丰富，非常适合应用在对体积和功耗都有较高要 求的小型机器人系统中。 在机器人控制系统中常用的处理器有：t ic 2 0 0 0 和c 6 0 0 0 系列d s p 、8 0 5 1 和a v r 单片机、a r m 7 和a r m 9 系列、p c i 0 4 和p o w e r p c 单板计算机等m 1 。它们各 自具有鲜明的特点，通常都是为了特殊的应用而设计，如下表所示： 7 南京师范大学硕士学位论文 表i - 2 机器人控制系统中常用处理器 机器入控制系统处理器的特点在机器人控制系统中的应用 中常用的处理器 具有很强的数字信号处理能力，适运动控制、语音处理。尤 c 2 0 0 0 系列d s p 合运动控制，硬件设计方便。 其适合执行针对单个或一对 直流( 无刷) 电机的复杂算法。 具有极强的数字信号处理能力，具 c 6 0 0 0 系列d s p有专门的操作系统，硬件设计非常复高级的视觉处理和模式识别。 杂。 8 0 5 1 和a y r 结构和指令简单；运算能力较低，简单的运动控制和信号 系列单片机通常不支持操作系统；几乎全部芯片都处理，在复杂的控制系统中作 已经单片化，硬件设计非常方便。为局部控制器。 典型的r i s c 处理器，运算能力较小型机器人主控制器，也 a r m 7 系列强，支持多种操作系统；部分型号芯片常用于运动控制和传感器信 已经单片化，硬件设计较方便。 号处理。 典型的r i s c 处理器，运算能力很机器人主控制器，同时可 a r m 9 系列 强，支持多种操作系统；几乎没有单片以进行视觉处理、语音处理和 化，硬件设计较复杂。模式识别。 p c i 0 4 、p o w e r p c由p c 演化而来，通用性很强，功复杂的拟人机器人的主 等单板计算机耗大，硬件设计非常复杂。控制器。 d s p 处理器在谱分析、f f t 变换、数字滤波等方面得到非常广泛地应用。t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 主要用来进行运动控制，适合用于执行针对单个或少量电 机的高级控制算法。虽然c 2 0 0 0 在桌面型两足机器人中也有应用拍朗，如图1 - 3 中的k y u nk w a n 大学机器人，但c 2 0 0 0 对操作系统的支持能力有限，一般不使用 操作系统，所以如果作为主控制器会带来软件设计上的局限性。 c 6 0 0 0 系列具有很高的主频、丰富的硬件资源、特殊的系统结构，数字信号 处理能力非常强大，并且t i 公司特地为c 6 0 0 0 ( 和c 5 0 0 0 ) 系列开发了专用的 d s p b i o s 操作系统。d s p b i o s 操作系统使c 6 0 0 0 如虎添翼，成为了高级视觉处 理应用的主流处理器。但使用c 6 0 0 0 作为处理器时电路复杂，通常只在大型拟人 机器人中作为高级的视觉处理器，小型的机器人中应用很少。 8 0 5 1 和a v r 系列单片机通常在其内部集成了c p i j 、存储器、总线逻辑、看门 狗、i o 、以及其他接口，单片化的特性使其体积和功耗都大大减小，在两足步 行机器人中得到了广泛使用。但其运算能力较低，硬件资源有限，几乎不支持操 作系统，这使其通常不能作为主控制器，而通常在复杂的机器人控制系统中作为 局部控制器。 8 南京师范大学硕士学位论文 a r m 7 系列处理器是a r m 处理器中使用很多的一款。a r m 7 处理器是典型的 r i s c 处理器，对操作系统的支持能力很强，适合运行多种操作系统。a r m 7 系列 有许多也实现了单片化，但比常见的8 0 5 1 和a v r 单片机具有更强大的运算能力 和更丰富的硬件资源，这使它既适合作为小型两足步行机器人控制系统的主控制 器嘶帕1 ，也可以作为复杂的机器人控制系统的局部控制器啪1 。 a r m 9 系列处理器在a r m 7 的基础上进一步地提高了运算能力，增加了更多的 硬件资源。a r m 9 对操作系统的支持能力同样地强大。a r m 9 适合作为两足机器人 控制系统的主控制器，同时还可以作视觉处理、语音处理和模式识别。但a r m 9 系列处理器几乎没有能实现单片化的，硬件设计较为复杂。 单板计算机由通用计算机演化而来，常见的有p c i 0 4 、p o w e r p c 、y i p s 、6 8 0 0 0 等。单板计算机具有良好的通用性，对操作系统具有极强的支持能力。但其设计 和开发比较复杂，功耗较大，在拟人机器人等大型机器人中经常被用作主控制器。 本文结合控制系统设计的基本要求和常用处理器的特点，选用了基于a r m 7 内核的处理器l p c 2 1 3 1 。l p c 2 1 3 1 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位 a r m 7 t d m i s t mc p u 的微控制器，并带有3 2 k 字节高速片内f l a s h 存储器。一个 1 2 8 位宽度的存储器接口和一个独特的存储加速模块使3 2 位代码能够在最大时 钟速率下运行。l p c 2 1 3 1 实现了单片化，采用6 4 小管脚封装，具有极低的功耗。 同时具有两个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d 转换器、9 个外部中断、以及最多可 用4 6 个g p i o 。另外，它还集成了两个工业级的u a r t 接口、s p i 接口、两个1 2 c 接口、实时时钟、看门狗和两个脉宽调制器。关于l p c 2 1 3 1 的具体硬件结构见文 献 2 0 。 2 2 2 直流伺服电机的控制特性 直流伺服电机又称为舵机，是一种位置伺服驱动器，适用于角度不断变化并 可以保持的控制系统。“k o n d o 两足步行机器人的直流伺服电机使用9 v 至1 2 v 电源，内部基准信号为周期为2 0 m s 的p w m 周期信号，输入的控制信号也必须是 周期为2 0 m s 的p 1 】i m 周期信号，电压为4 至6 v 。电机输出转角与输入的控制信号 的脉冲宽度有如下图所示的线性关系： 时闻 0 度 9 0 璺l 帅懂角度0 图2 2 直流伺服电机输出转角与输入p w m 信号宽度的关系 9 南京师范大学硕士学位论文 “k o n d o 两足步行机器人机械结构共有1 7 个直流伺服电机，所以在设计控 制系统硬件电路时，除了需要提供9 v 至1 2 v 的电源外，还必须提供至少1 7 路 4 v 至6 v 的p w m 信号。 2 2 3 硬件设计总体方案 对应于控制系统硬件设计的基本要求，作了如下的设计方案： 1 控制系统需要控制1 7 个直流伺服电机，使两足步行机器人完成相应的动作。 a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 集成了脉宽调制器，该脉宽调制器可以输出6 路 单边沿p w m 信号。控制直流伺服电机的p w m 信号的周期为2 0 m s ，高电平持 续时间为0 5 m s 至2 5 m s ，占空比比较小，最大仅为i 8 ，所以可以进行多 路分时复用。本文使用了4 个三态锁存器7 4 h c 5 7 3 对5 路p w m 信号进行4 路 分时复用，一共可以得到2 0 路独立的单边沿p w m 信号，这样可以满足控制 系统的要求。 2 a 刚7 内核处理器l p c 2 1 3 1 集成了一个j t a g 调试接口。 3 a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 集成了一个r s 2 3 2 接口，通过一个m a x 3 2 3 2 e 驱动 芯片，就可以与p c 的串口通信。 4 a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 集成了一个i 接口，使用该接口扩展一个e 2 p r o m 存储器，可以在紧急情况下存储关键数据。 5 a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 集成了一个8 路1 0 位a d 转换器，用来读入传感 器的数据。 6 使用高性能电池供电，增加了机器人的灵活性。 由于电机会对控制电路产生比较大的干扰，所以在设计时，将电路分为核心 电路和外围电路，两者之间使用光耦隔离。核心电路包括l p c 2 1 3 1 最小系统、串 口驱动电路、j t a g 调试接口、e 2 p r o m 和a d 转换基准电压电路，下图为核心电 路的原理框图： 图2 - 3 核心电路框图 1 0 南京师范大学硕士学位论文 外围电路选用了4 个三态锁存器7 4 h c 5 7 3 进行分时扩展，使用了1 8 个t l p l 8 1 将控制电路和驱动电路进行了光耦隔离。由于经过光耦隔离后p i i ! 信号会被反 相，所以使用3 个施密特触发反相器h e f 4 0 1 0 6 对光耦输出的2 0 路p 删中的1 8 路进行反相转换，同时反相器可以为p w m 信号提供整形的作用( 舍弃了其余两路 p i t i 信号) ，如图2 - 4 所示： 2 3 原理图设计 邺?7 4 h c 光耦 卜 h e f 4 v 5 7 30 1 0 6 分时v隔离 v 。 反相 复用转换 2 3 1 核心电路设计 图2 - 4 外围电路框图 核心电路包括l p c 2 1 3 1 最小系统、j t a g 调试接口、串口驱动电路、e 2 p r o m 和a d 转换基准电压电路，原理如图2 - 5 所示。 l p c 2 1 3 1 的内核和i o 均使用3 3 v 电源。x t a l l 和x t a l 2 接一个1 1 0 5 9 2 m 的石英晶体振荡器，为了滤除高频干扰，在石英晶体振荡器的两个引脚分别接一 个3 0 p f 的电容。 为了使复位信号更加的稳定，没有使用通常的阻容复位电路，而是使用了复 位芯片c t 1 0 2 5 w i 。它不但可保证了复位信号的稳定性，而且还带有1 2 c 接口的 e 2 p r o m 存储器，e 2 p r o m 存储器可以保存一些关键数据，在断电后仍然不会丢失。 j t a g 调试接口是a r m 7 处理器集成的标准调试接口，直接从a r m 7 处理器引 出到一个双排排针，用于连接j t a g 仿真器。 系统中设计了一个r s 2 3 2 接口，用来和p c 机通信，也可以在以后的系统升 级时作为接口。r s 2 3 2 的电平是5 v ，a r m 7 处理器输出电平是3 3 v ，所以使用了 s p 3 2 3 2 e 芯片进行电平转换。 a r m 7 集成了一个3 路1 0 位的a d 转换器，电路设计时使用t l 4 3 1 芯片为a d 转换器提供了一个a d 转换基准电压。与使用精密电阻从电源分压相比，使用 t l 4 3 1 芯片得到的电压受系统电源的影响更小，更加稳定。 南京师范人学硕十学位论文 2 3 2 外围电路设计 图2 - 5 核心电路原理图 外围电路使用了4 个三态锁存器7 4 h c 5 7 3 将核心电路中的a r m 7 内核处理器 l p c 2 1 3 1 输出的5 路p w m 信号进行分时复用，片选信号为l p c 2 1 3 1 输出的4 个g p i o 信号：p o 1 0 、p o 1 1 、p 0 1 2 和p 0 1 3 。三态锁存器输出的2 0 路p w m 信号中的 1 2 南京师范大学硕士学位论文 1 8 路经过1 8 个t l p l 8 1 光耦隔离、3 个施密特触发反相器h e f 4 0 1 0 6 反相，得到 1 8 路p w m 信号控制电机。电路原理如图2 6 所示： 图2 - 6 外围电路原理图 a r m 7 内核处理器l p c 2 1 3 1 输出5 路p w m 信号和4 路片选信号。5 路p 1 】l m 信号 同时作为4 个三态锁存器7 4 h c 5 7 3 的输入，每个三态锁存器可以提供8 路的信号 输入和输出，本文中只使用了其中的5 路。三态锁存器的1 1 号引脚为使能端， 使能信号有效时从输入引脚读入信号并输出，使能信号无效时则保持输出状态不 1 3 南京师范大学硕士学位论文 变。本文中将a i 1 7 处理器输出的4 路片选信号分别接到4 个三态锁存器的使能 端，用来分别控制4 个三态锁存器的信号读入和输出。 经过三态锁存器分时复用后得到2 0 路p i j i 1 v l 信号，本文选择了其中的1 8 路信 号进行了光耦隔离，舍弃了另外两路。因为光耦隔离后信号会被反相，所以选用 了3 个施密特触发反相器h e f 4 0 1 0 6 对信号进行了反相，同时也起到了整形的作 用。每个反相器可以提供6 路信号的反相，一共使用了3 个反相器得到了1 8 路 5 v 的p w m 信号，能够满足系统设计要求。 2 4 电源设计 为了增加机器人的灵活性，两足步行机器人使用高性能电池供电。直流伺服 电机的电源要求为9 v 至1 2 v ，本文选用了电压为1 0 8 v 的高性能电池，直接作 为直流伺服电机的电源。 由于基于a r m 7 的处理器l p c 2 1 3 1 内核和外设均使用3 3 v 电源电压，所以需 要选用电源电压转换器进行电压转换。a p , m 7 处理器运行时大约需要1 2 0 m a 的电 流，s p x l l l 7 - 3 3 可以提供至少2 0 0 m a 的电流；而且s p x l l l 7 - 3 3 是低压差电源 转换器，转换效率很高，功耗很小。但是1 0 8 v 的电池电压高于s p x l l l 7 - 3 3 允许的最高输出电压，所以进行电源设计时，先使用了一个直流电压转换芯片 l m 7 8 0 5 将电池的1 0 8 v 直流电源转换为5 v 直流电源，然后再通过s p x l1 1 7 3 3 将l m 7 8 0 5 提供的5 v 直流电源转换为3 3 v 直流电源，作为l p c 2 1 3 1 的电源。 另外，使用了另一个直流电压转换芯片l l v l 7 8 0 5 再次将电池的1 0 8 v 直流电 源转换为5 v 直流电源，作为外围电路的电源。这样使用两个独立的l 7 8 0 5 分别 对核心电路和外围电路供电，能够减少外围电路对控制电路的干扰，使电路更稳 定。整个系统的电源设计如图2 - 7 所示： 图2 - 7 整个系统的电源设计 l p c 2 1 3 1 芯片需要模拟3 3 v 和数字3 3 v 电源，为了降低噪声，通常要进行 1 4 南京师范人学硕士学位论文 隔离。隔离模拟电源和数字电源常用的器件有：0q 电阻、电容、电感。本文中 使用两个1 0ph 的电感将模拟3 3 v 电源和数字3 3 v 电源进行了隔离。为了减小 5 v 电源的波动对3 3 v 电源的影响，使用了一个1 0 l ih 的电感隔离了5 v 电源的 地和3 3 v 电源的地。l p c 2 1 3 1 的电源设计如图2 - 8 所示： 口1 1 7 - 3 3 亨 图2 - 8l p c 2 1 3 1 的电源设计 2 5 印制电路板( p c b ) 设计 印制电路板( p c b ) 设计是电路设计的最终目标h 7 1 。本文中，先在p r o t e l 9 9 软件下设计了电路原理图，然后设计了印制电路板( p c b ) 。p c b 设计时先采用了 核心板和驱动板分离的设计方式，设计了通用的a r i v l 7 核心板和专用于该机器人 控制系统的驱动板，经过焊接和调试后电路可以正常运行，但是体积较大；后来 再此基础上，再次设计了单板式的p c b ，体积大大减小，性能仍然正常，满足了 机器人控制系统的要求。 2 5 1 核心板和外围板的p c b 设计 由于a r m 7 处理器电路的p c b 设计具有一定的复杂性，并且电机会对控制电 路产生一定的干扰，所以设计时首先采用了核心电路板和外围电路板分离的方 式，设计了具有通用性的a r m 7 核心电路板和机器人专用的外围电路板，如图2 - 9 所示： 南京师范大学硕士学位论文 ( a ) 核心电路板 ( b ) 外阐电路板 图2 - 9 采j f j | 核心板和外围板分离方式设计的电路板 a r m 7 核心板包括a r m 7 处理器l p c 2 1 3 1 的最小系统、串口驱动电路、j t a g 调试接口、1 2 c 接口的e 2 p r o m 存储器、转换电压参考电路、和实时时钟( r t c ) 电 路。核电路板大小为5 o c m 3 8 c m ，采用双层电路板设计，双面均有贴片元器 件。核心板上有s p x l l l 7 3 3 电源转换器，输入5 v 电压；可以使用电池供电， 特地为使用电池供电而设计了实时时钟电路，可以在只对a r m 7 的实时时钟供电 的情况下工作，此时a r m 7 内核处于睡眠状态，节省电池电量；所有的接口( 也包 括p w m 和a d ) 均通用电路板两边的两个双排排针插座引出，这样保证了a r m 7 电 路功能的完整性。核心板引出的两个排针之间的距离是4 3 1 c m ( 1 7 0 0 m i l ) ，这是 电路设计中常用的万用板和面包板孔间距0 2 5 4 c m ( 1 0 0 m il ) 的整数倍，这使核心 板可以直接插在面包板和万用板上，为平时的电路设计带来很大方便。 在完成了核心电路设计后，先在一次性万用板上搭建了外围电路，所有外围 电路中的元器件均选用了双列直插封装，验证了外围电路原理设计的正确性。然 使用p r o t e l 9 9 设计了外围电路的p c b 板。 外围电路板是针对该机器人设计的，不像核心板一样具有很强的通用性。外 围电路板大小为9 5 c m 9 5 c m ，采用双层电路板设计，元器件几乎都是双列直 插封装的。外围电路板上包括两个l 7 8 0 5 电源电压转换器、两个双排排针用来接 核心板、一个双排排针用来接j t