（计算机应用技术专业论文）湖面清扫智能机器人的控制.pdf

沈阳理工大学硕十学位论文 摘要 机器人是2 0 世纪人类的伟大发明之一。它作为人类的新型生产工具，在减轻 劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等 方面，显示出极大的优越性。湖面清扫智能机器人是一种能够自己发现并清理漂 浮污染物的智能型环保设备，而控制系统是影响机器人性能的关键部件之一，它 在一定程度上影响着机器人的发展。因此，在满足机器人控制要求的基础上，本 文详细介绍了湖面清扫智能机器人控制系统的设计与实现。 本文介绍了基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 的控制系统的总体设计方案，给出了 d s p 的外围电路设计，包括控制系统的电平转换电路、d s p 系统仿真接口电路、d s p 扩展存储器电路、d s p 串行通信接口电路等，重点介绍了湖面清扫智能机器人电机 控制的实现，并且分析总结了d s p 系统设计中应该注意的问题。 软件设计方面，按照模块化的设计方法在t i 公司提供的c c s ( c o d ec o m p o s e r s t u d i o ) 编译环境下，用汇编语言和c 语言混合编写电机控制的软件程序，对控制 系统p w m 信号的产生、速度的控制等进行分析，并详细给出了机器人实现垃圾收 集任务的所需步骤、过程以及方法。 最后搭建实验系统，验证湖面清扫智能机器人控制系统硬件电路的有效性及 相应软件编制的合理性。 关键词：湖面清扫智能机器人；控制系统；d s p ；p w m 信号 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o b o ti so n eo ft h eh u m a nb e i n g sg r e a ti n v e n t i o n si n2 0 t hc e n t u r y a sah u m a n b e i n g sn e wi m p l e m e n to fp r o d u c t i o n ，i ts h o w sat r e m e n d o u ss u p e r i o r i t yi nr e d u c i n gt h e l a b o ri n t e n s i t y , r a i s i n gt h ep r o d u c t i v i t y , i m p r o v i n gt h ep a t t e r no fp r o d u c t i o n ，l i b e r a t i n g t h eh u m a nf r o md a n g e r o u sa n da b o m i n a b l ee n v i r o n m e n ta n ds oo n t h el a k ec l e a n i n g i n t e l l i g e n tr o b o ti sak i n do fp r o e n v i r o n m e n te q u i p m e n tt h a tc a nd i s c o v e r sa n dc l e a n s a f l o a tp o l l u t a n tb yi t s e l f t h ec o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t sw h i c h i n f l u e n c e sr o b o t sf u n c t i o n i ti n f l u e n c e st h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt os o m ee x t e n t t h e r e f o r e ，o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gt h ed e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ei n t e l l i g e n tr o b o ti n d e t a i l f i r s t l y , t h ec o n t r o ls y s t e m sd e s i g nb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p i si n t r o d u c e d a saw h o l e t h e nt h i sp a p e rs h o w st h ed e s i g no ft h ep e r i p h e r a lc i r c u i tf o rd s p , i n c l u d i n g t h ec h a n g e - o v e rc i r c u i tf o re l e c t r i c a ll e v e lo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed s pi n t e r f a c e c k c u i tf o rs y s t e ms i m u l a t i o n ，t h ec i r c u i to fd s pe x t e n d e d m e m o r y , t h ed s pi n t e r f a c e c i r c u i tf o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o na n ds oo n a l s oi ti n t r o d u c c st h er e a l i z a t i o no fe l e c t r i c m a c h i n ec o n t r o lw i t he m p h a s i sa n da n a l y z e st h ep r o b l e m ss h o u l dp a ya t t e n t i o n st o w h i c hi nt h ed e s i g n i n go fd s p s y s t e m o na s p e c to fs o f t w a r e ，t h ep r o g r a mu s e df o rt h ee l e c t r i cm a c h i n ec o n t r o li s c o m p i l e di nc o m p i l e - l a n g u a g ea n dc l a n g u a g eu n d e rt h ec o d ec o m p o s e rs t u d i ow h i c h s u p p l i e db yt h et ic o m p a n y t h r o u g ht h i sp r o g r a m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep r o d u c t i o n o ft h ec o n t r o ls y s t e m sp w m s i g n a l ，t h es p e e dc o n t r o la n ds oo n ，a n di ts h o w st h e a p p r o a c ha n dc o u r s eo ft h eg a r b a g ec o l l e c t i o nw h i c hr e a l i z e db yt h er o b o ti nd e t a i l f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nb u i l tt ov a l i d a t et h ec i r c u i to fc o n t r o l s y s t e ma n dt h es o f t w a r ef o rt h ei n t e l l i g e n c er o b o t k e yw o r d s ：l a k ec l e a n i n gi n t e l l i g e n tr o b o t ；c o n t r o ls y s t e m ；d s p ；p w ms i g n a l 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：歇靖暂 日期：力p 眸? 月i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苏费韧 日期：她3 f 口 指导教师签名：钒铱l 日 期：- 2 村罗驴 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它 作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把入 从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工 业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩 大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、 医疗康复等领域。进入2 1 世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、 深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能 机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人； 智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述 外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物 并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓 思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求 为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完 成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此 可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。 机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控 制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制、 计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容1 1 1 。 近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同 时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染 对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法 逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种r 常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染 的加剧也唤醒了人们的环境保护意识，因此为了人类的健康发展，人们强烈要求 沈阳理工大学硕七学位论文 根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对 的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。 很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大 量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外 研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性能优 良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必 要，而且有较好的市场前景。 1 2 机器人的运动控制 对于自由运动机器人来说，其控制器设计可以按是否考虑机器人的动力学特 性而分为两类 e l ： 一类是完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨 迹间的偏差进行负反馈控制。这类方法通常被称为“运动控制( k i n e m a t i c c o n t r 0 1 ) ，控制器常采用p d 或p i d 控制。 运动控制的主要优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速度高精度机 器人来说，这类方法有两个缺点：一是难于保证受控机器人具有良好的动态和静 态品质；二是需要较大的控制能量。 另一类控制器设计方法通常被称为“动态控制( d y n a m i cc o n t r 0 1 ) 。这类 方法是根据机器人动力学模型的性质设计出更精细的非线性控制率，所以又常称 为“以模型为基础的控制( m o d e l b a s ec o n t r 0 1 ) 。用动态控制方法设计的控制 器可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，然而由于各种动态控制方案中都 无一例外地需要实时进行某些机器人动力学计算，而机器人又是一个复杂的多变 量强耦合的非线性系统，这就需要较大的在线计算量，给实时控制带来困难。 本文主要采用运动控制的设计方法。 动力和运动是可以相互转换的，从这个意义上来讲，电机是最常用的运动源。 运动控制的最有效方式就是对运动源的控制。因此，一般通过对电机的控制来实 现系统的运动控制【3 】。 电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动 控制技术和微机应用技术的最新发展成就，采用微处理器、f p g a c p l d 、通用计 第1 章绪论 算机、d s p 控制器等现代控制手段构成的数字控制系统己成为主流控制方法。随着 时代的发展，各种电机的控制技术和微电子技术、电力电子技术的结合正使其发 展成为- f - j 新的技术，即运动控制技术。由于有微处理器和传感器作为新一代运 动控制系统的组成部分，所以这种运动控制系统又称为智能运动控制系统。应用 先进的控制算法，开发全数字化的智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统 设计的发展趋势。 目前，一个运动控制系统或电机控制系统的实现方法主要有以下几种1 3 1 ： ( 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统。早期的运动控制系统一般是 采用运算放大器等分立元件以硬接线方式组成的模拟控制系统，其优点在于：通 过对输入信号的实时处理，可实现系统的高速控制；由于硬接线方式可以实现无 限的采样频率，因此控制器的精度较高而且具有较大的宽度。 然而，与数字系统相比，其缺点也是很明显的：器件老化和环境温度变化对 构成系统的元器件的参数影响很大；构成模拟系统所需的元器件较多，增加了系 统的复杂性，也使系统的可靠性降低；由于系统采用硬接线，其升级和功能修改 几乎是不可能的；受系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、性能更先进 的复杂控制算法。这些缺陷使它很难应用于一些功能要求比较高的场合。 ( 2 ) 以微控制器为核心的运动控制系统。利用微控制器所构成的系统与模拟电 路相比具有以下优点：绝大多数控制逻辑由软件实现，电路变得简单；微控制器 具有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、具有大容量的存储器，因此有能力 实现较为复杂的算法；微控制器的控制方式主要由软件实现，因此修改控制规律 时，仅需对软件进行修改；无零点漂移，控制精度高；可提供人机界面，实现多 机联网工作。 然而，由于微控制器一般采用v o n n e u m a n n 总线结构，处理速度和能力有限， 软件编程难度较大，且一般芯片集成度较低，不具备运动控制系统的专用外设。 因此，基于微控制器构成的系统仍需较多的元器件，这增加了系统电路的复杂性， 降低了可靠性，也难以满足运算量较大的实时信号处理的需要，难以实现控制算 法。 ( 3 ) 在通用计算机上用软件实现运动控制策略。在通用计算机上，利用高级语 言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、信号交换接口，就可以构成一个运动 沈阳理工大学硕士学位论文 控制系统。这种实现方法利用计算机的高速度、强大的运算能力和方便的编程环 境，可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，而且软件的修改也很方便。但 是，通用计算机缺点在于系统体积大，难以应用于工业现场，而且难以实现实时 性要求较高的信号处理算法。一般来说，这种系统实现方法可用于控制软件的仿 真研究或用作上位机，与下位机的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。 ( 4 ) 利用专用芯片实现的运动控制。为简化电机模拟控制系统电路，同时保持 系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电机控制芯片，如t i 公司的u c c 3 6 2 6 ， u c c 2 6 2 6 等【4 1 。利用专用电机控制芯片构成的运动控制系统保持了模拟系统和以微 控制器为核心的运动控制系统两种实现方式的长处，具有速度快、系统集成度高、 使用元器件少、可靠性好等优点；同时，专用电机控制芯片的价格便宜，进一步 降低了系统成本，因此这种实现方式广泛应用于精度较低和成本敏感的场合。 然而，受专用电机控制芯片本身的限制，其缺点主要包括：软件算法固化在 芯片内部，虽然可以保证较高的响应速度，但降低了系统灵活性，扩展性较差； 受芯片制造工艺限制，其算法较为简单，控制精度也较低；用户不能对芯片编程， 不便对系统升级。 ( 5 ) 以可编程逻辑器件为核心的运动控制系统。由于f p g a c p l d 等可编程器 件的发展，人们可以利用他们的系统开发软件或v h d l 笔j ；开发语言，通过软件编程 实现运动控制算法，然后将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而以硬 件方式实现最终的运动控制系统。这种系统优点主要有：系统的主要功能在单 f p g p l d 中实现，减少了元器件个数，缩小了系统体积；具有良好的扩展性和 可维护性，通过修改软件并重新下载到目标板上的相关器件中，就可以对系统升 级；系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理；开发工具齐全，通用性强。 然而，这种系统实现方法的成本较高。控制算法越复杂，对可编程逻辑器件的集 成度要求越高，芯片价格越昂贵。因此，考虑到系统成本，一般使用可编程逻辑 器件实现较为简单的运动控制系统。 ( 6 ) 以可编程d s p 控制器为核心构成运动控制系统。d s p 属于精简指令集计算 机，增强型哈佛结构，具有独立的程序存储空间和数据存储空间，运算速度极快， 为系统实时性提供了有力保障，也使复杂算法的实现成为可能，特别是面向电机 控制应用的d s p ，它通过把个高性能的d s p 内核和常用外围设备集成为一个芯片 第1 章绪论 的方法，将d s p 的高速运算特性和优化的控制特性结合起来，成为运动控制系统核 心芯片的最佳选择。基于d s p 控制器的运动控制系统实际上是一个单片系统，因为 整个电机控制所需的各种功能都可以用d s p 控制器来实现，因此可以大幅度减小系 统体积，减少外部器件的个数，增加系统可靠性。另外，由于各种功能都通过软 件实现，系统升级容易，扩展性和可维护性都很好。同时，d s p 控制器的高性能使 最终系统既能满足要求比较低的系统，也可以满足对性能和精度要求较高的场合 需要。 通过以上比较，可以得到以下结论： ( 1 ) 基于d s p 控制器的运动控制系统可满足任意场合的需要，将是运动控制系 统实现技术的发展方向。 ( 2 ) 虽然采用一些新型微控制器可以实现一些功能复杂、要求较高的运动控制 系统，但是与同样性能的d s p 控制器相比，这些新型微控制器成本较高。 ( 3 ) 在一些简单、性能要求不高的场合，可以采用专用控制芯片、微控制器、 可编程逻辑器件等实现运动控制系统。在一些大型系统中，可考虑采用通用计算 机、工业计算机来构成运动控制系统。 ( 4 ) 多种实现方法的互相配合使用，可以达到更好的效果和性能价格比。 1 3d s p 控制器概述 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 是具有特殊结构，能快速进 行数字信号处理运算的微处理器。实现快速数字信号处理的途径有很多种，如在 通用微型机上用软件或加速卡、用f p g a 等可编程阵列、d s p 芯片等，它们有各 自的优缺点。d s p 芯片的出现使得数字信号处理从理论研究走到广泛的实际应用 上来，并且推动了新的理论和应用领域的发展。d s p 芯片的诞生和发展对近2 0 多 年的通信、计算机、控制、测量等领域的技术发展起到了十分重要的作用【5 1 。尽管 各个厂家推出的d s p 产品在结构上不尽相同，但对大部分产品来说，都有如下共 同特点【6 l ： ( 1 ) d s p 产品普遍采用数据总线和地址总线相对分开的哈佛结构，从而大大提 高了对地址和数掘的访问速度。而且，现在先进的d s p 产品都是采用改进的哈佛 结构，即地址总线和数据总线不但是分开的，而且各自可能都有多条，这就进一 沈阳理工大学硕士学位论文 步提高了数据读取的速度。 如图1 1 所示，d s p 芯片中指令的执行采用流水线( p i p e l i n e ) 方式。d s p 在 第n 个时钟周期内完成对第n 条指令取指的同时，还将完成对第n 1 条指令 的译码，并同时执行第n 2 条指令。在下一个时钟周期n + l ，将同时完成对第 n + i 条指令的取指，对第n 条指令的译码及对第n 1 条指令的执行。这样的 执行方式将依次进行下去，这种在一个时钟周期内同时完成多个任务的流水 线工作方式必将大大提高运算的速度。 预取 译码 执行 n n 1 n 2 n + 1 n n 1 n + 2 n + 1 n 图i id s p 指令执行的流水方式 ( 2 ) d s p 中都有独立的乘法器和累加器，或乘法单元( m a c ) ，从而保证在一 个时钟周期内可同时完成相乘和累加两个运算。 ( 3 ) 部分高性能的d s p 提供了并行工作能力。所谓并行，是指多个d s p 或d s p 内部的多个单元同时在完成一个共同的任务。 ( 4 ) d s p 芯片一般具有高的时钟速度和极快的运算能力。例如，美国德州仪器 公司( t i ) 推出的t m s 3 2 0 c 6 4 系列的d s p ，其最大的时钟速度可达6 0 0 m h z ，因 此，时钟周期仅为1 6 7 n s ，其运算能力可达4 8 0 0 m i p s 。 ( 5 ) 为方便数据的读、写及片外设备的通信，d s p 上一般都集成有d m a 控制 器，同时片上还集成有串行通信口、定时器及中断处理器等。由于d s p 通常具有 较高的速度，外设的速度相对较慢，因此片上还集成有与不同速度存储器相连接 的硬件和软件的等待状念发生器。 ( 6 ) 部分d s p 芯片( 例如t m s 3 2 0 c 2 4 系列) 还有片上的d 及脉宽调制通 道( p w m ) 。 第l 章绪论 总之，先进周密的硬件设计、方便完整的指令系统、配套的开发工具以及高 速、实时信号处理市场的巨大需求，使得d s p 微处理器在飞速发展的计算机领域 中异军突起、大放光彩。 1 4 湖面清扫智能机器人系统概述 湖面清扫智能机器人大体可以分为七个部分：船体，控制系统，动力驱动系 统，视觉系统，语音控制系统，垃圾仓，各种传感器。现将各部分功能综述如下： ( 1 ) 船体：主体由双体船构成，船体中间有网状垃圾仓，仓后有一个电机来控 制吸力装置，使两船体中间水流速度相对向后，漂浮垃圾随水流由船的前方经由 两船体中间进入后方垃圾仓，完成垃圾的收集； ( 2 ) 控制系统：以可编程d s p 控制器为核心构成控制系统，接收视觉系统、语 音控制系统、各种传感器等设备的输入信号，计算和输出多路控制信号，协调各 3 9 驱动电机，并对系统状态进行监控： ( 3 ) 动力驱动系统：湖面清扫智能机器人的动力源为蓄电池，由左右电机的速 度不同来调整前进方向； ( 4 ) 视觉系统：根据探测到的信息推测出前方物体为垃圾还是阻碍前进的障碍 物，并在机器人需要返回回收点时判断回收点的位置； ( 5 ) 语音控制系统：机器人可以接收语音命令，控制机器人运行，停止，转弯 等； ( 6 ) 垃圾仓：暂时存放垃圾，当垃圾装满时，机器人要把垃圾倾倒在回收点。 ( 7 ) 各种传感器：红外接近觉传感器位于机器人主体前方，能够检测出障碍物 的存在以及其它潜在危险，防止机器人主体与岩石或其它非漂浮物体相撞；光束 中断传感器用来判断垃圾仓是否已满：光电编码器用于反馈机器人的运动速度。 1 5 本文主要研究工作 本文将d s p 应用于湖面清扫智能机器人的控制系统中，主要研究内容包括： ( 1 ) 对d s p 芯片的原理及丌发环境作了详细的说明和解释； ( 2 ) 提出了将d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 应用到湖面清扫智能机器人控制系统中 沈阳理 大学硕士学位论文 的设计方案； 0 ) 控制系统硬件电路设计。包括控制系统的电平转换电路、j t a g 接1 3 电路、 d s p 扩展存储器的电路、d s p 的串行通信接口电路、电机驱动电路等d s p 夕f 围电路 设计； ( q 控制系统软件设计。介绍d s p 系统的初始化过程，分析p w m 控制信号的产 生、编码器信号的处理、直流电机控制的实现及串1 3 通信，给出主要程序的软件 流程，编写控制系统的应用程序。同时还结合p i d 控制算法，实现直流电机的闭环 速度控制； ( 5 ) 实验研究。搭建实验系统，对系统硬件和软件进行了调试，验证控制系统软、硬件的 正确性。 第2 章控制系统总体设计 2 1 硬件设计 第2 章控制系统总体设计 湖面清扫智能机器人控制系统的任务是根据输入的信息( 传感器信息，视觉 信息，语音信息等) ，控制电机完成相应的动作，从而使机器人达到收集湖面漂 浮垃圾的目的。 为了使清扫智能机器人在设计上更加合理化、规范化，应该采用专用的控制 器为核心器件，使得系统具备独立的数据处理能力，能够独立控制机器人运动。 在综合考虑各方面因素的基础上，决定选择专用d s p 控制器为核心器件。选用 d s p 芯片而不是比较廉价的普通单片机作为核心器件，主要是考虑至u d s p 芯片在电 机控制领域广阔的应用前景。这种芯片是专门为电机控制系统设计的，具有丰富 的片内配套外设模块，如a d c ，p w m 等，能够大大减少外围电路的设计难度，而 且d s p 芯片的数据处理能力是普通单片机无法比拟的。以d s p 为核心的机器人控制 系统总体结构如图2 1 所示。 图2 1 机器人控制系统结构 沈阳理【：大学硕士学位论文 控制系统选用了t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ，它是专门为数字电机控制 应用而优化的d s p 控制器，该芯片卓越的处理能力及电机控制部件的集成使之为 湖面清扫智能机器人控制系统提供了更优秀的设计方案。 电机则选择了易于调速的直流电机。 机器人的电路系统是为控制系统服务的，是控制系统的实现平台。根据d s p 控制器和机器人功能的设计要求，需要对机器人处理器模块、电机驱动模块、速 度检测模块、s c i 模块以及a d c 模块的电路进行设置。控制器要求具有开放式、集 成化、功耗小等性能，因此设计时，尽量选择功耗小的专用功能芯片代替集成电 路的搭建 7 1 。 2 2 软件设计 湖面清扫智能机器人控制系统软件采用模块化设计的方式，模块化设计可以 增强程序可读性，使程序易于维护、具有良好的可扩展性。控制系统软件主要包 括初始化模块、速度调节模块和信息接收模块，这三个模块通过中断联系在一起 的，如图2 2 所示。 ( 1 ) 初始化模块 图2 2 控制系统软仆总体结构 第2 章控制系统总体设计 这个模块完成对l f 2 4 0 7 a 的初始化配置、定义变量以及其它一些必要的初始 化工作。初始化流程如图2 3 所示。 关闭中断 上 l d s p 系统初始化 l i ，o 寄存器初始化 上 事件管理器初始化 上 s c l 初始化 j l a d c 初始化 上 开中断 图2 3 初始化程序流程图 ( 2 ) 速度调节模块 速度调节模块主要通过速度的测量与计算，得出控制量的输出。其中，又划 分为三个部分：速度的检测、控制算法，以及电机的驱动。速度检测模块利用编 码器、l f 2 4 0 7 a 的正交编码单元及通用定时器对控制机器人运动的左右电机速度进 行检测；控制算法模块利用数字p i d 控制算法，根据机器人的控制命令及机器人当 前的电机速度计算控制量，并给出p i d 控制算法参数整定的方法；电机驱动模块负 责将控制量转化为p w m 信号从而对机器人的左右电机进行控制。 ( 3 ) 信息接收模块 沈阳理工大学硕士学位论文 通过视觉系统、语音系统、传感器接收外界信息，从而判断何时收集垃圾， 何时避障以及何时返回。 初始化结束后，将进入循环等待中断状态。一旦有已开放的中断到来，将转 入中断服务程序，中断服务程序结束后再返回循环等待中断状态。除了语音控制 命令是在s c i 接收中断中接收和执行的，其余机器人的控制过程均在定时器中断中 完成。 另外，为了机器人成功实现预定任务，需要对这个较大的任务进行分析，并 划分为一些较小的问题来逐个解决。对问题的有效分解需要做到以下几点： ( 1 ) 首先需要准确地确定出所要解决的问题。 ( 2 ) 简单陈述机器人想要完成设定任务所必须具备的最少功能集合。 ( 3 ) 利用现有技术寻找实现机器人每项功能的方法。 ( 4 ) 深入理解系统在工作过程中为完成相应任务所需要提出的i 口- j 题。 ( 5 ) 在问题和传感器之间建立相应的映射关系。 ( 6 ) 为选定的方法编写代码。 第3 章控制系统硬件设计 第3 章控制系统硬件设计 湖面清扫智能机器人的控制系统主要包括：处理器模块、电机驱动模块、速 度检测模块、串行通信模块和a d c 模块。 3 1 处理器模块 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 美国德州仪器有限公司( t i ) 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是为了满足控制应用 而设计的，它把一个高性能1 6 位的d s p 内核和片内外设集成在一个芯片上，体现 了s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的技术发展趋势。其处理速度为4 0 兆指令秒，为诸多 领域提供了先进的数字解决方案。d s p 芯片内含有丰富的硬件资源，大大减少了 用户硬件设计方面的工作，使得用户的主要精力放在编程上，实现电子设计的软 件化嘲。 该d s p 芯片有如下性能和特点： ( 1 ) 由于采用了高性能的静态c m o s 制造技术，因此该d s p 具有低功耗和高 速度特点，低功耗有利于电池供电的应用场合，而高速度非常适用于电机的实时 控制。工作电压3 3 v ，有四种低消耗工作方式。单指令周期最短为2 5 n s ( 4 0 m h z ) ， 最高运算速度可达4 0 兆指令秒，体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行， 可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。 ( 2 ) t m s 3 2 0 u 眩4 0 7 a 采用增强的哈佛结构，其程序存储器总线和数据存储器 总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此c p u 的读写可在同一周期内 进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复 杂控制算法得以实现。 ( 3 ) 由于采用了t m s 3 2 0 c 2 x xd s pc p u 的1 6 位定点低功耗内核，保证了与 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 的代码兼容性，允许设计者从其它通用t m s 3 2 0 定点d s p 上移植程序，降低了软件投资，缩短了开发周期。 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 片内集成了3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、2 k 字的单口r a m 、5 4 4 字的双 口r a m ，因而使该芯片很方便地进行产品开发。可编程的密码保护能够充分地维 护用户的知识产权。 ( 5 ) 提供外扩展6 4 k 字程序存储器、6 4 k 字数据存储器、6 4 k 字i o 端1 3 的能 力，外部存储器接口。 ( 6 ) 两个专用于电动机控制的事件管理器( e v ) ，每一个都包含两个1 6 位通 用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生p w m 输出以及软件定时的 时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止保持模式、连续增计数模式、 定向增减计数模式和连续增减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比较寄 存器t x c m p r 和一个p w m 输出引脚t x p w m 。每个通用定时器都可以独立地用 于提供p w m 输出通道，可产生非对称或对称p w m 波形，因此，四个通用定时器 最多可提供4 路p w m 输出。另外，e v 还包括一个能够快速封锁输出的外部引脚 p d p i l 、i r r x ，其状态可从c o m c o n x 寄存器获得。 ( 7 ) 全比较单元。每个事件管理器模块有3 个全比较单元( 1 、2 和3 ( e 、，a ) ； 4 、5 和6 ( e ) ) ，每个比较单元各有一个1 6 位比较寄存器c m p r x ( 对于e v a 模块，x = l ，2 ，3 ；对于e v b 模块，x = 4 ，5 ，6 ) ，各有两个c m p p w m 输出引脚， 可产生2 路p w m 输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器( a c n 己) 的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置不同 的工作方式，可选择输出对称p w m 波形、非对称p w m 波形或空间矢量p w m 波 形。 ( 8 ) 正交编码脉冲电路。正交编码脉冲( q e p ) 电路可以对引脚c a p l q e p l 和c a p 2 q e p 2 上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码器的2 路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周 期的固定相位偏移，对输入的2 路正交信号进行鉴相和4 倍频。通过检测2 路信 号的相位关系可以判断电机的正反转，并掘此对信号进行加减计数，从而得到当 前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向，电机的角速度可以通过脉冲的 频率测出。 ( 9 ) 捕获单元。捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模 块总共有六个捕获单元。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向c p u 发中 第3 章控制系统硬件设计 断请求。 ( 1 0 ) 可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。 ( 1 1 ) a ，d 转换模块。包括两个带采样保持的各8 路1 0 位d 转换器，具有 可编程自动排序功能，一次可执行最多1 6 个通道的自动转换，可工作在8 个自动 转换的双排序器工作方式或一组1 6 个自动转换通道的单排序器工作方式。a d 转 换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即 启动等三种方式。最快，d 转换时间为5 0 0 n s 。 ( 1 2 ) 控制器局域网( c a n ) 模块。是现场总线的一种，主要用于各种设备的 监测及控制。 ( 1 3 ) 串行通信口。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 设有一个异步串行外设通信口( s c i ) 和 一个同步串行外设通讯口( s p i ) ，用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。 s c i 即通用异步收发器( u a r t ) 支持r s 2 3 2 和r s 4 8 5 的工业标准全双工通信模 式，用来与上位机的通信；s p i 可用于同步数据通信，典型应用包括 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 之间构成多机系统和外部i o 扩展，如显示驱动。 ( 1 4 ) 锁相环电路( p l l ) 和等待状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者 可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。 ( 1 5 ) 数字i 0 。t m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a 有4 1 个通用、双向的数字i 0 引脚，其中大 多数都是基本功能和一般i o 复用引脚。 ( 1 6 ) 外部中断。有五个外部中断( 功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断n m i 及两个可屏蔽中断) 。 ( 1 7 ) 1 1 4 9 1 1 1 9 9 0 i e e e 标准的j t a g 仿真接1 2 。 ( 1 8 ) 很宽的工作温度范围，普通级：4 0 1 2 5 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为高性能的控制提供先进、可靠、高效的信号处理与控制的 平台，它将数字信号处理的运算能力与面向高性能控制的能力集于一体，可以实 现用软件取代模拟器件，可方便地修改控制策略，修正控制参数，兼具故障监测、 自诊断和上位机管理与通信等功能，将成为控制系统开发的主流处理器，可广泛 应用于：工业电机驱动；能量交换器如u p s 、通信电源；自动化系统如电力控制、 抗锁死制动；磁盘光盘伺服控制和大容量存储产品；打印机、复印机和其它办公 产品；仪器、仪表；机器人控制等。 沈阳理1 = 大学硕士学位论文 3 1 2d s p 的电源供电 一 t i 的d s p 上有5 类典型的电源引脚1 8 1 ： ( 1 ) c p u 核电源引脚( 3 3 v ) ( 2 ) i 0 电源引脚( 3 3 v ) ( 3 ) p l l 电路电源引脚( 3 3 v ) ( 4 ) f l a s h 编程电源引脚( 5 v ) ( 5 ) 模拟电路电源引脚( 3 3 v ) 由此可见，除了f l a s h 编程电源引脚，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的其它电源引脚都采 用3 3 v 电压1 9 1 ，减小了芯片功耗。但常用直流电源为5 v ，因此必须考虑电平转换问 题。一种方法是直接采用可调直流电源获得3 3 v 电压，但这样很难保证电源电压 的稳定性，影响d s p 的正常运行。另一种方法是采用专门的电源转换芯片，将5 v 电压降为3 3 v 。为了得到适合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的3 3 v 供电要求，使用了t i 推荐的 t p s 7 3 3 3 ，输出3 3 v 5 0 0 i i 认。7 3 3 3 输出后的1 0 u f 和0 1 u f 的电容不能省略，否则得 不到稳定的3 3 v 电压。电源转换电路如图3 1 所示。其中，2 m m 的电源插孔j 1 标识 为内正外负，+ 5 v 稳压直流电源输入。 p j 1t 一 3 i n0 u t5一一 i i no u ti 挂! l 一lio j 0 u 卉1 td e ns e ，f b g n d 旺s e th 古 一 1 一 图3 1 电源转换电路 需要注意的是，c p u 内核要先于i o 上电，后于i o 掉电，c p uf 勺核与i o 供电尽 可能同时，二者时间相差不能太久( 一般不能长于1 s ，否则会影响器件的寿命或损 坏器件) 。 3 1 3j t a g 接口电路设计 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小、弓 第3 章控制系统硬件设计 脚排列密集等原因，传统的并行仿真方式已不适合于t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 的开发应 用。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有5 线j t a g ( 边界扫描逻辑) 串行仿真接口，用于扫描引 脚到引脚的连续性，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。j t a g 是主 流的片上调试技术，它已经被i e e e1 1 4 9 1 标准所采纳。 j t a g 接口电路的原理如图3 2 所示。 e m u 0li13 i3 t , v 亟匠工二 t r s t2 t m s1 t d i 3 t d o ， t c k e m 0 e m l t r s t s t d i t d o 1 r s t t c k 瓜嗡 3 1 4 时钟电路 4 7 k 4 7 k v c c g n d 引d 洲d g n d 洲d 5 v c c 4 图3 2j - t a g 接口电路的原理图 g n d l f 2 4 0 7 a 的时钟使用嵌入到d s p 内核的锁相环( p l l ) 电路，可以从一个较 低的外部时钟合成片内时钟( 最高达4 0 m h z ) ，并可将内部时钟输出到片外旧。时 钟模块电路如图3 3 所示。其中，电容c 3 和c 4 的必须为无极性电容，在不同的 振荡器频率下，c 3 、c 4 、r 1 的取值不同。 g n d c 1 c 2 2 0 m 12 3 12 4 12 13 1 12 1 1 1 10 5 8 c 3 c 4 _ 15 u冒 i o p f 6 1 b 0 0 te n 、c p 图3 3 锁相环时钟模块 x t a l l c l k l n x t a l 2 p l l v c c a i o p f 6 b o o te n fi p l l f l l p l l f 2i v c c p l 1 _ j t m s 3 2 0 lf 2 40 7 a 沈阳理工大学硕士学位论文 可见，锁相环时钟来源于晶振或外部时钟源，且需要外部的滤波回路( p u j l 与p l l f 2 之间) 来抑制信号抖动和干扰。外部时钟信号经p l l 倍频后形成d s p 芯片的工作时钟源。 l f 2 4 0 7 a 的时钟域有两种f 5 l ： ( 1 ) c p u 时钟。它是大部分c p u 内部逻辑电路使用的时钟。它是外部时钟信 号经p l l 倍频而形成的，倍频系数由系统控制寄存器s c s r l 设定，复位后默认值 是o