（模式识别与智能系统专业论文）模块化可重组机器人分布式控制系统设计.pdf

里堕型兰垫查叁鲎竺窒尘堕堂生笙塞 一 摘要 本文为模块化可重组机器人设计了一套分布式控制系统，并且在此基础上实现了机器 人的自动对接，为以后继续研究模块化可重组机器人的自动重组技术奠定了基础。 首先，本文介绍了模块化可重组机器人的概念、特点、发展状况以及应用前景等，它 具有模块化、可重组的鲜明特点，代表了机器人发展的一个前沿方向。传统的机器人控制 系统不适合模块化可重组机器人，本文为它构建了适合其特点的控制系统模块化分布 式控制系统。 然后，本文详细介绍了模块化分布式控制系统的硬件和软件设计。根据模块化可重组 机器人的特点，在硬件设计时始终遵循模块化、功能较强的控制器、较好的通信网络、小 型化、低功耗和低成本这六个原则。控制器采用的是d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ，用它对无 刷直流电机进行控制，能够获得较高的控制精度和较好的实时性。软件设计也遵循了模块 化的设计原则，通信网络采用的是r s - - 4 8 5 总线基础上的无线通信。 最后是控制系统的仿真和实验。首先对无刷直流电机的控制方案进行了仿真，来验证 控制方案的可行性以及初步确定p i d 控制参数，然后进行了反向运动学实验来验证控制系 统的实际控制效果，最后详细说明了自动对接的实验过程和结果。 关键词：模块化，可重组，分布式控制系统，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ，无刷直流电机，无线通信， 自动对接 第1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t sad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rm o d u l a rr e c o n f i g u r a b l er o b o t t h e i m p l e m e n t a t i o no fa u t o - c o n n e c t i n gi sab a s ef o rf u t u r ew o r ko ns e l f - r e c o n f i g u r a t i o no f m o d u l a r r e c o n f i g u r a b l er o b o t f i r s t l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o n c e p t ，a t t r i b u t e s ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so f m o d u l a rr e c o n f i g u r a b l er o b o tw h i c hr e p r e s e n t saf r o n td i r e c t i o no fr o b o td e v e l o p m e n t w e p r e s e n t am o d u l a rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mf o rm o d u l a rr e e o n f i g u r a b l er o b o tb e c a u s e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m sa r en o tf i tf o ri t s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i l st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fm o d u l a r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h ef o l l o w i n gs i xp r i n c i p l e sa r ef o l l o w e di nt h eh a r d w a r ed e s i g ni n o r d e rt oi m p l e m e n tt h ea t t r i b u t e so fm o d u l a rr e e o n f i g u r a b l er o b o t ：m o d u l a r i t y , g o o dc o n t r o l l e r , g o o dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k m i n is i z e 1 0 wp o w e ra n dl o wc o s t t h ed s pc o n t r o l l e r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6i sv e r ys u i t a b l ef o rb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r 0 1 t h es o f t w a r ed e s i g na l s o f o l l o w st h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i t y t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kw h i c hi sb a s e do nr s 一4 8 5 l a s t l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e s i m u l a t i o no ft h eb r u s h l e s sd cm o t o rc o n t r o lm e t h o di sh e l p f u lt o t e s tt h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o n t r o lm e t h o da n dt oc h o o s e a p p r o x i m a t e l yt h ep i dp a r a m e t e r s t h ei n v e r s ek i n e m a t i c s e x p e r i m e n tc a nt e s tt h er e a lc o n t r o lr e s u l t t h ce x p e r i m e n tp r o c e s sa n dr e s u l ti sd e s c r i b e di n d e t a i l si nt h ee n do f t h i sp a d e l k e yw o r d s ：m o d u l a r , r e e o n f i g u r a b l e ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ， b r u s h l e s sd cm o t o r , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a u t o - c o n n e c t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 搓迭焦互重塑扭墨厶金查煎握剑丞统遮i 土 学位论文作者签名：盔! 氇! 氢 日期：十年月；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 搓块丝丑重塑扭墨厶金立盎撞剑丞统遮让 学位论文作者签名：i ：釜! 色! 盔 日期：脚年，月。；日 作者指导教师签名：蛐日期：狮年月衫百 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 模块化可重组机器人 模块化可重组机器人是这样的一个机器人系统：它由若干个可以相互连接和分开的简 单模块组成，模块之问的不同组合可以使机器人系统具有不同的形态和功能i l j 。组成模块 化可重组机器人的模块可以具有不同的种类，模块的种类一般较少( 1 2 类) ，而模块的 数量却很多( 几十到几百甚至成千上万) 。模块的结构和功能一般比较简单，但很多模块 组合起来却可以组成很多的形态从而获得很多的功能【1 】。模块化可重组机器人一般是根据 任务或环境的需要而进行重组的1 6 j ，比如，在崎岖的路面上它可以采用多足昆虫的形态运 动，在松软的沙地上它可以重组成履带的形状滚动，当遇到狭长的管道时，它又可以重组 成蛇形穿过。 1 1 1 模块化可重组机器人的提出 从机器人诞生到上世纪8 0 年代初，机器人技术经历了一个长期而缓慢的发展过程。 到了上世纪9 0 年代，随着计算机技术、微电子技术和网络技术等的快速发展，机器人技 术得到了飞速发展，除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人 系统也有了长足的发展。机器人技术已经成为高科技应用领域中的重要组成部分，它正向 着具有行走能力、对环境自主性强的智能机器人的方向发展【2 i 。作为新一代的智能机器人， 不仅要有感知、推理和判断等能力，还要有强健的“四肢”运动执行机构。现在的移 动机器人大都是借助轮子或者机械腿作为运动执行机构，它们的共同缺点是运动方式比较 单一，对地形特别是未知环境的适应性不强。例如，机械腿机器人在行走过程中，当遇到 比较松软的地面( 如沙地) 时，它就无法很好地进行移动，它更无法通过狭长的管道。为 了克服传统机器人的这个缺点，模块化可重组机器人被提出来，它是一种高度模块化、可 根据任务和环境的不同而进行重组变形的机器人【3 】【4 j 【5 】。 1 1 2 模块化可重组机器人的特点 与传统的机器人相比，模块化可重组机器人有很多特点，主要包括：模块化、可重组、 模块设计简单、成本低、高可靠性、高稳定性等1 1 1 6 1 3 】。 模块化。机器人一般由一类或两类模块组成，同类模块之间完全相同。每个模块 都是一个相对独立完整的单元实体，模块一般由控制器、动力、通信、电源等几 个单元组成，能够独立实现一些简单的功能并能和其它模块进行通信。 可重组。机器人能够根据环境的改变或任务的需要而对自身的模块进行重组从而 改变自身形态和运动方式。 模块设计简单。由于组成机器人的模块数量较多( 几十到几百甚至成千上万) ，整 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 个机器人所要实现的功能被分散到众多的模块上，只要求每个模块实现有限的简 单功能，因此模块的结构可以设计得比较简单，这大大降低了模块设计的难度。 成本低。模块的结构简单且同类模块完全相同，只需要重复制造若干个简单的模 块即可组合成完整的机器人系统，因此机器人的制造成本较低。另外，由于模块 化可重组机器人能够实现多种任务，相对于单一功能的机器人而言，它具有更高 的性价比。 高可靠性。同类的模块都被设计成相同的结构，因此任意两个同类模块之间都可 以相互替代。万一某个模块出了问题，就可以用另一模块来代替它，并且丢弃故 障模块，保证整个系统能够继续正常工作，这使得机器人系统具有很高的可靠性。 高稳定性。由于模块被设计得比较简单，单个模块本身具有相当高的稳定性，而 且每个模块在整个系统中都只实现非常有限的功能，对整个系统性能的影响也非 常有限，这样即使少数模块出了问题，也不会对整个系统产生太大的影响，系统 仍然可以萨常工作。相比而言，传统机器人各个环节耦合得比较紧，如果某个环 节出现问题，即使很小，对整个系统来说也可能是灾难性的。 1 1 3 模块化可重组机器人的发展状况 国外对模块化可重组机器人已经进行了大量的研究，目前已经开发的模块化可重组机 器人主要有两类：一类是静态可重组机器人，另一类是动态可重组机器人i l 。静态可重组 就是在工作之前由人工对机器人进行组装，而动态可重组就是机器人在工作时能根据任务 或环境的需要自主重组。静态可重组机器人大都是工业机器人，如q u e e n s l a n d 大学的 g o r d o nw y e t h 和j a m e sk e n n e d y 等人设计的由有规则几何形状的独立模块组成的工业机械 手p u m a5 6 0 1 7 i ，可以改变机械手的形状以适应不用的装配任务。动态可重组机器人系统 主要有两个，一是p a m e c h a 和c h i r i k j i a 的构形变化机器人系统( m e t a m o r p h i cr o b o t i cs y s t e m ) 二是英国d a n m o u t h 学院的k e i t h k o t a y 和d a n i e l a r u s 在1 9 9 8 年提出的分子( m o l e c u l e ) 机器人系统【9 1 。前者是由一套独立的机电模块组成的，每个模块都有连接、脱开以及越过 相邻模块的功能，每个模块没有动力，但允许动力和信息输入且可通过它传输到相邻模块。 构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的，这种系统具有动态重组的能力。 后者的模块称为分子，分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三 维结构。对于模块化可重组机器人的研究，现在大都没有进入实用化阶段，特别是对于模 块化动态可重组机器人来说，由于受到诸多条件的限制，现在主要停留在理论研究阶段和 计算机仿真阶段。 1 9 9 4 年，x e r o x 公司帕洛阿尔托研究中心( p a r c ：p a o a l t or e s e a r c hc e n t e r ) 的m a r k y i m 和y i n gz h a n g 等人开始对模块化可重组机器人进行研究【3j i ”】。从1 9 9 7 年到现在他们 研制了p l o y b o tg i 、g 2 和g 3 共三代模块化可重组机器人。其中g 2 最具有典型意义，它 的系统采用主从结构，由一个主控模块和若干个标准功能模块组成简单的链状外形结构， 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 能够自动地从履带形重组为蛇形然后再重组为四足昆虫形【1 0 1 。它的三种形态如图1 1 所示， 左面的是履带形，右上的是蛇形，右下的是四足昆虫形。虽然这种机器人远比p a m e c h a 、 k e i t hk o t a y 等人提出的模块化可重组机器人简单，但其意义在于推动了模块化可重组机器 人的实用化研究，为模块化可重组机器人的研究开拓了新的领域。 图1 1p o l y b o t g 2 的二种形态 1 1 4 模块化可重组机器人研究的意义、发展方向和应用前景 模块是构成模块化可重组机器人的基础，虽然模块可以设计得比较简单，但必须要保 证模块的稳定性和可靠性，这涉及到机构设计方面的技术。模块化可重组机器人要完成某 项任务，需要它的部分或所有模块的协调运动，这涉及到运动规划、运动学分析和运动控 制等方面的技术。因此，对模块化可重组机器人的研究将会推动机器人机构设计、运动规 划、动力学分析、运动控制等方面的发展。模块化可重组机器人要实现自动重组，最基本 的就是要实现模块之间的自动对接，这涉及到模块的机械和电气接口设计、多传感器信息 融合、对接路径规划等方面的技术，通过研究也将大大推动这些技术的发展。另外，模块 化可重组机器人的运动大都是模仿生物的运动，这也将推动对仿生机器人技术的研究。 模块化可重组机器人能很好地适应复杂和未知的地形环境的特点使得它具有非常广 泛的应用前景j 。在科学探索方面，它可以被应用于人类无法到达的环境中或者危险环 境中的探索，如星球探索、深海作业等：在救灾抢险方面，它可以采用四足的形态在地震 后的瓦砾中进行营救活动，也可以重组成蛇形钻入瓦砾中寻找伤亡者：在同常生活方面， 浚技术可以被用于玩具制造以及家用机器人制造等。 虽然模块化可重组机器人的应用前景非常美好，但在现阶段，它的研究尚处于开拓和 探索阶段。目前还需要在以下几个方面进行进一步研究1 1 3 j ：模块的结构和功能分析以及设 计；机器人整体机构表达描述方法的研究；机器人自动重组过程中的路径和运动规划；模 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 块化可重组机器人的控制系统和高效的可重构实时控制软件的研究。 1 2 本文内容 1 2 1 本文研究内容概述 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 有专门的课题对模块化可重组机器人进行研究， 课题名称是“模块化、可重组机器人技术研究”1 1 2 1 。本实验室已经成功设计完成了一套模 块化可重组机器人【1 3 】1 1 4 1 ，它能够实现蛇形、履带形和四足形等典型的运动步态，但这几种 步态之间的转换需要手工完成，即这是一个静态可重组机器人。本实验室在此基础上继续 对模块化可重组机器人技术进行研究，研究目标是实现机器人模块之间的自动对接，这是 实现自动重组的基础和关键。 新研制的模块化可重组机器人只由一类模块组成，各个模块完全相同。模块的机械外 壳为两个扇形结构通过转轴( 电机) 连接成的方形结构，模块只有一个绕其转轴的转动自 由度，模块的实物图如图1 2 所示。 俯视图 图1 2 模块实物图 平视图 本文的研究内容是为模块化可重组机器人设计一套分布式控制系统并在此基础上实 现机器人的自动对接，这其中包括分布式控制系统的构建、分布式控制系统硬件电路的设 计与调试、分布式控制系统软件的设计等。 1 2 。2 本文的结构 全文共分六章： 第一章介绍了模块化可重组机器人的概念、特点、发展状况以及应用前景等，还对本 文的研究内容作了总体介绍。 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章首先介绍了机器人控制系统的发展状况，然后在分析传统的机器人控制系统不 适用于模块化可重组机器人的基础上，构建了适用于模块化可重组机器人的控制系统 模块化分布式控制系统，并对该系统的特点进行了详细阐述和分析，最后介绍了模块化分 布式控制系统的总体设计。 第三章详细介绍了模块化分稚式控制系统的硬件设计和实现。 第四章详细介绍了模块化分布式控制系统的软件设计。 第五章主要介绍了自动对接实验的过程和结果。 第六章是对整个研究工作的总结以及对未来工作的展望。 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章模块化分布式控制系统 2 i 引言 机器人控制系统能够根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定的动作或作业任 务，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣【1 ”。机器人控制系统有多种分类方法， 按控制方式可将其分为以下三类【1 5 】【3 6 j ： 集中式控制系统，在这种控制系统中由一个c p u 完成系统的所有计算工作( 如坐 标变换) 。这种控制系统结构简单，成本低，但其实时性较差且难以扩展。在早期 的机器人，如h e r o i 以及r o b o t i 中，采用的是这种控制系统。 主从式控制系统，采用主从两级c p u 实现系统的全部控制功能。一级c p u 作为 主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口等功能，同时也利用它的运算 能力完成坐标变换、轨迹插值等工作，并定时地把运算结果作为关节运动的增量 送到公用内存，供二级c p u 读取；二级c p u 完成全部关节位置的数字控制。两 个c p u 总线之间仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。主从式控制系 统实时性较好，但其系统扩展性较差，维护困难。上世纪7 0 年代生产的m o t o m a n 机器人( 5 关节，直流电机驱动) 采用的是这种控制系统。 分散式控制系统，根据控制对象的性质将控制系统分成几个功能模块，每个模块 各有不同的控制任务和控制策略，各模块之间一般是主从关系。一个主c p u 负责 整个系统的管理以及运动学计算和轨迹规划等工作，每个关节的运动都由一个从 c p u 负责控制，主从c p u 联系是通过总线形式的紧耦合。这种控制系统实时性好， 易于实现高速、高精度控制，易于扩展。目前世界上大多数商品化机器人都采用 这种控制系统。 上面的这种分类方法代表了机器人控制系统的发展历程，它由最初的集中式控制系统 发展到后来的主从式控制系统再发展到现在广泛采用的分散式控制系统。这三种控制系统 都是针对传统机器人设计的，它们都不太适合作为模块化可重组机器人的控制系统，因为 模块化可重组机器人有着模块化、可重组的鲜明特点。为了能够充分发挥模块化可重组机 器人的特点，有必要为它设计适合其特点的控制系统。 2 2 模块化分布式控制系统 2 2 1 模块化分布式控制系统的构建 组成模块化可重组机器人的模块数量众多，而且每个模块都需要有数据采集、运动规 划、运动控制以及通信等功能，虽然每个模块对这些功能的要求都不是很高但如果依然 第6 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 采用集中式控制系统，用一个c p u 实现所有模块的这些功能，则对于控制器的要求将非常 高，系统的实时性也难阻保证。另外，控制器的性能也限制了系统的扩展能力。如果将主 从式控制系统应用于模块化可重组机器人，同样会产生实时性差和扩展能力弱的问题，因 为系统的所有工作只是由两个c p u 完成的。分散式控制系统也不适用于模块化可重组机器 人，因为它是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定的任务。各 个从c p u 所在的模块的功能一般不同，主c p u 所在的模块更是不可替代，也不允许出现 故障，否则整个系统会瘫痪，这与模块化可重组机器人的模块化和高可靠性的特点相违背。 从上面的分析可知，传统的三种控制系统都不适用于模块化可重组机器人。为了能够 充分发挥模块化可重组机器人的特点，本文为它构建了模块化分布式控制系统( m d c s ) 。 模块化分布式控制系统由若干个子系统构成，子系统的个数与模块化可重组机器人中模块 的个数相同，子系统与模块一一对应。每个子系统的结构功能都相同，它是一个独立的单 元，拥有控制器、存储单元、数据采集单元和通信接i ：3 等。子系统除了控制与它对应的模 块之外，还要负责整个系统的协调以及计算和规划等工作。模块化分布式控制系统是一个 基于总线的分布式系统，每个子系统是网络总线上的一个节点，控制系统结构如图2 1 所 不。 子系兢l子系统2子系统n 图2 1 模块化分布式控制系统结构图 虽然模块化分布式控制系统的每个子系统都有能力负责整个系统的协调以及计算和 规划工作，但系统在具体运行时一般只需要某一个或者某几个子系统来负责这些工作( 当 然这些子系统同时还要控制与它们对应的模块) ，具体由哪个或哪些子系统来负责这些工 作，可以人为地指定也可以根据任务的需要动态地确定。 2 2 2 模块化分布式控制系统的特点 模块化分布式控制系统中的各个子系统相互独立且功能相同，因此它是严格意义上的 分布式控制系统。与传统的三种控制系统相比，模块化分布式控制系统的突出特点是：模 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 块化、可替代性、实时性、可扩展性、低成本。 模块化。控制系统由若干子系统构成，每个子系统都是一个可以独立执行的系统， 它拥有独立的控制处理器、存储单元、数据采集单元、通信接口等，子系统之间 通过网络总线进行通信。 可替代性。由于各个子系统的结构功能完全相同，因此它们之间可以相互替代。 实时性。由于每个子系统都具有完整的功能，各个子系统之间可以并行工作，又 由于每个子系统都拥有自己的存储单元，网络通信负载不大，每个子系统都能以 最快的速度响应系统的请求，因此模块化分布式控制系统拥有很好的实时性。 可扩展性。每个子系统承担自己功能的实现，子系统的增加并不会加重整个系统 的负担。由于采用网络总线通信，总线上的节点数量不受限制( 只要总线电气特 性允许) ，系统具有良好的可扩展性。 低成本。由于系统的模块化，每个子系统的负担较轻，对控制器的要求不高，因 此可以采用性价比较高的处理器。另外，机器人系统升级、模块数量的扩展都不 需要更换控制处理器。 可见，模块化分布式控制系统有着传统的控制系统无法比拟的优点，它能够充分发挥 模块化可重组机器人的特点，因此我们将它作为我们的模块化可重组机器人的控制系统。 2 3 模块化分布式控制系统总体设计 2 3 1 系统设计目标和设计思路 虽然模块化可重组机器人的应用前景非常美好，但由于时间和条件的限制，本文设计 的控制系统不可能使模块化可重组机器人具有非常强大完整的功能。结合实际情况，我们 制定了如下的设计目标： 控制系统能使机器人实现自动对接。本文已经实现了这个目标，第五章详细叙述 了机器人的自动对接的实验过程。 控制系统能使机器人以蛇形和履带形两种步态运动，并能使机器人由一种形态自 动重组为另外一种形态。这个目标不是本文所要实现的目标，但本文构建的模块 化分布式控制系统为这个目标的实现提供了可能。要实现这个目标，只需要在模 块化分布式控制系统的软件部分增加运动步态规划等功能即可。 模块化分布式控制系统是由多个结构功能完全相同的子系统通过通信网络连接而成 的，因此控制系统的设计包括两个部分，一是子系统的设计，二是通信系统的设计。子系 统是一个独立完整的单元，拥有控制器、存储单元、数据采集单元和通信接口等。子系统 除了控制与它对应的模块之外，还要负责整个系统的协调以及计算和规划等工作。通信系 统是各个子系统相互联系的桥梁和纽带，因此它应该具有较高的稳定性和较好的实时性。 第8 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 2 3 2 系统设计中的难点问题 模块化分布式控制系统的设计包括系统硬件电路设计和系统软件设计两个部分，设计 的工作量比较大，而且其中有一些难点问题需要解决。我们认为在系统设计过程中主要有 以下难点问题： 在模块化可重组机器人的自动重组过程中，需要对其进行精确的位置控制，有时 还要进行速度控制，这对控制系统提出了较高的要求。 模块化可重组机器人的任何一项任务的完成都需要组成它的模块的相互协调和配 合，因此控制系统的通信网络应该具有较高的稳定性和较好的实时性。 在控制系统的具体运行过程中，整个系统的协调以及计算和规划工作通常只需要 某个或某些子系统来完成，我们需要确定具有由哪个或哪些子系统来负责这项工 作以获得最佳的整体控制效果。 在模块化可重组机器人的运动过程中，控制系统需要为其进行运动步念规划；在 其自动重组过程中还要为其进行传感器计算以及对接路径规划和对接运动规划。 本文在设计模块化分布式控制系统的过程中，主要对前三个难点问题进行了研究，并 且已经较好地解决了前两个问题，第三个问题还有待进一步的研究，第四个问题是课题组 中其他同志的研究内容。 2 4 小结 本章首先对机器人控制系统进行了简要介绍，然后在分析传统的机器人控制系统不适 用于模块化可重组机器人的基础上构建了模块化分布式控制系统，并对模块化分布式控制 系统进行了明确的定义并分析了其特点，最后介绍了模块化分布式控制系统的总体设计。 第9 页 里堕型兰垫查奎堂塑圣圭堕堂垡笙苎 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ l _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - - 一 一 第三章模块化分布式控制系统硬件设计和实现 3 1 控制系统硬件总体设计 模块化分靠式控制系统的各个子系统的结构功能完全相同，因此在进行系统硬件设计 时只需要设计出一个子系统，即只需要为一个模块设计出硬件电路即可，多个相同的子系 统通过网络总线连接起来就构成了完整的控制系统，本章将主要说明模块的硬件设计过 程。 模块化分布式控制系统的模块化的特点要求其硬件也具有模块化的特点。自动重组的 特点要求控制系统能够快速准确地完成路径规划、运动学分析和运动控制，因此控制器要 具有较强的运算能力。由于模块的重组是自动进行的，各个模块之间要能相互协调运动， 因此要求机器人有较好的通信网络。为了减轻模块重量，模块尽可能采用小型化设计，这 样势必要求控制系统硬件设计也要小型化，因此选择器件时要本着小型化的原则。机器人 在野外工作时需要自带电源，因此硬件应具有较低功耗，以延长机器人的野外工作时间。 价格低廉是模块化机器人的一个优点，因此要尽量选择性价比较高的器件。 综上所述，对控制系统硬件有以下六个要求：模块化、功能较强的控锖器、较好的通 信网络、小型化、低功耗和低成本。这六个要求是在控制系统硬件设计过程中所一直遵循 的原则。 本着模块化的设计原则，模块化可重组机器人的各个模块的机械外壳和硬件结构完全 相同。模块的机械外壳为两个扇形结构通过转轴( 电机) 连接成的方形结构，如图3 1 所 示( 图中还未安装电机) ，前后两面为模块的对接面板，上面有模块的机械接口和传感器 安放孔等。假设模块的两个对接面板分别为a 和b ，如果面板a 上的机械接口是插针，那 么面板b 上的机械接口是插槽，一个模块的面板a 只能与另一个模块的面板b 进行对接。 面板a 和面板b 上均有4 个相同的传感器安放孔，一个安放孔中可以安放两个传感器。如 果面板a 上安装红外发射传感器，那么面板b 上应该安装红外探测传感器，这里传感器的 作用是测量两个待对接面板之间的偏移量，传感器的具体工作原理将在后面叙述。 俯视幽平视图面板a面板b 图3 1 模块的机械外壳 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 模块的机械外壳设计不是本文的研究内容，因此本章将主要介绍模块的硬件电路设 计，模块的硬件结构如图3 2 所示，它包括控制器单元、通信单元、动力单元、传感器单 元和电源单元等。根据上面所提的对控制系统的六个要求，控制器单元采用的是t i 公司的 d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ，通信单元采用的是r s - - 4 8 5 总线基础上的无线通信，动力 单元采用的是无刷直流电机，各个器件的具体选型依据将在后面叙述。 图3 2 模块硬件结构示意图 3 2 控制系统硬件设计详述 3 2 1 控制器及其外围辅助电路 模块化可重组机器人要能实现自动重组，首先要求控制器能够快速准确地完成路径规 划、运动学分析和运动控制，而且要求其具有信号采集、a d 转换、i o 以及通信等必要的 外围接口电路。单片机很难满足这些要求，我们只能寻求性能更优、功能更强的控制器。 t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司的d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x ( 主要是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 和 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 是一款典型的专为电机驱动特别是无刷直流电机驱动而优化设计的控制 器，它具有以下特点【1 6 1 1 1 8 】【19 】： 具有两组六路p w m 脉冲信号输出i o 口p w m l p w m 6 和p w m 7 p w m l 2 ，输 出的p w m 信号经过前置放大后就可以直接用于驱动无刷直流电机。 具有两组三路捕获单元c a p l c a p 3 和c a p 4 c a p 6 ，可以直接用于捕获h a l l 传感器的输出信号来确定无刷直流电机的转子的位置。 片内集成了c a n 总线控制器、s c i 、s p i 以及1 6 路1 0 位a d 转换器。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器、1 5 k 字的数据，程序r a m 、5 4 4 字的 双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 具有看门狗定时器模块( w d t ) 。 五个外部中断( 两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) 。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 代码和 第1 i 页 里堕型兰垫查盔堂竺窒竺堕堂垡丝三 一一 t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 采用先进的静态c m o s 技术，使用3 3 v 供电，大大减小了控制器的功耗。 3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而提高了控制器的实时控制能 力。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 相比，没有外接存储器接口，但它具有更小的体积 ( 1 6 m m 1 6 m m 的p q f p 1 0 0 封装) ，更符合我们的小型化设计要求，因此我们选用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 作为控制器。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 内部带有p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 电路，它能够对外部输入时钟进行 倍频，共有8 种倍频系数可供选择，最小为0 5 ，最大为4 。s c s r l 寄存器中的c l k p s o c l k p s 2 这三位是倍频系数选择位，具体选择方法如图3 3 所示，其中的f i 。是外部输入时 钟的频率。 c l k p s 2e l k p s lc l k p 邬c l k c u t o o 0碡xf n ad1 2 x 霸n 0 o 1 3 3 x f i n o 11x f i n 10a 0 8 x f 熟 101 0 。6 6 x f i n 0 o 。耵x 童 o 5 x 图3 3 倍频系数选择方法 在本系统中，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 的时钟由外部的晶体振荡器提供，晶体振荡器的频率是 1 0 m h z ，通过设置s c s r i 寄存器，对输入时钟进行2 倍频，作为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 的内部 时钟( 2 0 m h z ) 。p l l 电路需要外接电容和电阻，在m 上。管脚和p k 管脚之间需要接一 个电容值为o 0 1 ，矿o 1 的瓷片电容，在印刷电路板( p c b ) 电路中，所有与p l l 电路 有关的连线要尽可能得短i l 6 l l 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 的e ，。管脚( 第4 0 脚) 是f l a s h 编程电压输入管脚。在硬件仿真时 该管脚电平必须为5 v ，在程序下载时该管脚电平可为5 v 或o v ，在程序下载进d s p 运行 时浚管脚必须接地，在该管脚上不要使用任何限流电阻f 1 8 l 【1 9 】。由于该管脚电平需要根据 d s p 的工作状态而变化，因此在电路设计时，不使浚管脚与5 v 或地直接相连，雨是根据 需要通过跳线器来进行选择。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 没有外接存储器接i s l ，不能外接存储器，因此编制的程序只能烧 写进它的f l a s h 后再运行。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 通过t i 公司提供的仿真器接口电路可以与仿 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 真器进行连接，仿真器再与微机连接，这样在微机中编制的程序经过编译后就可以随时烧 写到1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 中运行。控制器及其外围辅助电路如图3 4 所示。 图3 4 控制器及其外围辅助电路图 3 2 2 功率驱动电路 模块化可重组机器人要实现自动重组，要求其动力单元的电机具有足够的精度和力 矩，兼顾体积、重量以及成本等因素，我们选择的电机是瑞士m a x o n 公司的无刷直流电 机。电机型号为e c 2 2 ，2 4 v 、2 0 w ，其电根结构为三相y 形，外壳直径为2 2 m m ，最高允 许转速为5 0 0 0 0 r p m ，空载转速为2 0 0 0 0 r p m ，空载电流为7 4 m a ，堵转力矩为1 1 9 m n m 。另 外它还自带三级减速、减速比为2 3 1 ：1 的减速器和用于检测转子位置的三相输出的霍尔 传感器。 无刷直流电机的换向需要人为地进行控制，因此对它的驱动和控制比较复杂。有三种 无刷直流电机的驱动方案可供选择【2 7 】：无刷直流电机专用控制芯片( 如u c 3 6 2 0 等) 、 驱动芯片加功率管、全部采用分立元件。第三种方案虽然成本较低。但设计复杂且难以保 证稳定性，因此不采纳。第二种方案与第一种方案相比，优点是可以选择导通电阻低、速 度快的m o s f e t 功率管，有利于获得最高的效率和最好的控制，缺点是体积较大，设计较 复杂。后两种方案都是可行的，但由于设计初期没有定购到专用控制芯片，因此最早采用 的是第二种方案并一直用到最后。 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 功率驱动电路采用的是三相全桥驱动方式，如图3 5 所示。m o s f e t 功率管采用的是 i r f 5 2 0 ，它是一款高速n 沟道功率场效应晶体管，其漏源级最大耐压为1 0 0 v ，栅源极最 大允许输入电压为2 0 v ，漏极最大允许持续电流为9 2 a ，最大峰值电流为3 7 a ，导通电 阻为o 2 7 q ，导通时间为9 n s 。我们的无刷直流电机的工作电压是2 4 v ，转速为1 0 0 0 0 r p m 时的最大持续电流为1 6 a ，因此i r f 5 2 0 完全能够满足要求，而且它的低导通电阻和快速 丌关的特性有利于提高效率。前置驱动器采用的是i r 2 1 3 1 ，i r 2 1 3 1 具有独立的3 个上侧 和下侧驱动器，能够方便地驱动三相全桥，它可以经受6 0 0 v 的暂态电压的冲击，而且具 有过流保护等功能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 的六路p w m 输出与i r 2 1 3 1 的六路输入直接相连， i r 2 1 3 1 的输出通过电阻与功率m o s f e t 管的控制极相连【2 1 1 。 图3 5 功率驱动电路示意图 i r 2 1 3 1 的管脚k 和之间的电压差给i r 2 1 3 1 高端驱动电路提供电源，该电源电压 必须在1 0 v 2 0 v 之间，以确保驱动电路能够完全地驱动i r f 5 2 0 。圪。电源是悬浮电源， 有多种方法可以产生该电源，这里使用的是自举方式，这种方式的好处是结构简单、价格 低廉。 自举电源的二极管和电容的选择是关键。下式给出了自举电容应该提供的最小电荷： ，r 、 9 6 ，= 2 婊+ iq b s ，( m a x ) + 级+ 了1 c b x ( 1 e a k ) 其中q g 是高端器件栅极电荷，州。) 是自举电容漏电流，魄是每个周期内电平转换电路 中的电荷要求，是工作频率。在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学付论文 应该是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源的回馈电荷，二极管的最大恢复时间应不 大于1 0 0 n s 【2 8 】。本系统中使用的二极管是特快恢复二极管u f 4 0 0 6 ，它的最大反向电压为 8 0 0 v ，最大恢复时间为7 5 n s 。 3 2 3 转子位置检测电路 本系统中所用的无刷直流电机带有三个霍尔传感器，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 的捕获口c a p l c a p 3 直接捕获电机的三路霍尔传感器信号。这三路霍尔传感器的输出信号是高低电平相 互交错，两相输出之间的相位差为1 2 0 0 。霍尔传感器的输出信号如图3 6 所示。霍尔传感 器的输出信号在这里有两个作用，一是用来控制电机换向，二是用来计算电机转过的角度 和计算电机的转速。 无刷直流电机无机械换向，它的换向原理如下：霍尔传感器的输出信号的每次跳变触 发一个中断，在中断服务程序中，根据检测到的三个霍尔传感器的输出信号的状态来决定 电机特定绕组的导通和断开，从而实现电机的连续转动。 无刷直流电机的转子每转一周( 3 6 0 。) ，霍尔传感器的输出信号会发生六次跳变，由 于霍尔传感器的位置相对于电机是固定不变的，所以霍尔传感器的输出信号每跳变一次就 表明电机转过了一个6 0 。因此我们可毗这样计算电机转过的角度：电机启动以后，记录 霍尔传感器输出信号的跳变次数n ，6 0 x n 即为电机转过的角度。电机的转速也可以由霍尔 传感器的输出信号得到，记录霍尔传感器的相邻的两个输出信号之间的时间间隔f ，6 0 除以，即为电机的转速【2 1 1 。 a b c 图3 6 崔乐传感器输出信号不蒽圈 3 2 4 通信单元电路 自动重组的实现需要组成机器人的部分模块或所有模块的协调运动，模块之间的协调 离不开通信。有两种通信方案可供选择，即有线通信和无线通信。有线通信的优点是稳定 性好，缺点主要有两个：如果采用有线通信，模块对接时既要实现机械上的对接，也要实 现通信接口的对接，由于通信接口的尺寸较小，这会增加对接的难度；模块的对接面板上 必须要有机械接口以及传感器安装孔，如果再加上通信接口，会造成面板的面积紧张，增 加了模块面板设计的难度。综合考虑以上因素，我们决定采用无线通信方式。无线通信有 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 现成的无线模块可用，如上海桑锐公司的s r w f 一1 型无线数传模块，它具有以下特点： 尺寸小，5 3 r a m x 3 8 r a m 。机器人模块的面板尺寸是6 5 r a m 6 5 m m ，s r w f 一1 的 面积小于面板的面积。因此可以安装在面板上。 操作简单。它的工作过程对用户透明，用户无需编制多余的程序，只要从接口收 发数据即可，其