四足机器人中各关节的控制.pdf

E l e c t r o n i c C o m p o n e n t 单片机 舵机控制 机电控制 4 4 V o l 1 0N o 1 J a n 2 0 0 8 第1 0卷第1期 2 0 0 8年1月 w w w e c d a c n 2 0 0 8 1 图5舵机调速流程图 该舵机的外观如图3所示 在机器人机电控制系统中 舵机的控制效果 是性能的重要影响因素 舵机可以在微机电系统 和航模中作为基本的输出执行机构 其简单的控 制和输出使得单片机系统非常容易与之接口 该 舵机的控制是采用8 9 C 5 1芯片产生控制信号 并 通过单片机的I O口输入到舵机信号调制芯片 以获得直流偏置电压 舵机内部有一个基准电 路 可产生周期为2 0 m s 宽度为1 5 m s的基准信 号 将获得的直流偏置电压与电位器的电压进行 比较即可获得电压差输出 最后将该电压差的正 负信号输出到电机驱动芯片即可决定电机的正反 转 当电机转速一定时 通过级联减速齿轮带动 电位器旋转 可使电压差为0 进而使电机停止 舵机控制采用P WM信号 利用其占空比的变 化可改变舵机的位置 其控制信号如图4所示 当脉宽为1 m s时 舵机转到右极限位置 而当脉 宽为2 m s时 舵机转到左极限位置 可见 对于 单个的2 0 m s周期脉冲的调制是相对容易的 设 计时可利用8 9 C 5 1单片机中的定时器来实现 若 调制脉宽为1 8 m s的脉冲 则可选择一种定时方 式 并在定时寄存器中设置一个特定的值 这 样 当1 8 m s的时刻到达时 该值由于不断的增 加而在这一时刻正好溢出 然后就进入定时中断 程序 定时中断程序的任务是把原来的高电平设 置为低 同时在定时寄存器中设置新的数值 使 单片机在接下来的1 8 2 m s后再一次进入中断 并 在进入中断后把定时寄存器的值设为原先的值 如此循环 就能持续产生脉宽为1 8 m s的脉冲了 3舵机的转速调节 市场上的舵机转速一般都是固定的 如果要 改变其转速 只能改变其内部电路结构 如改变 内部电阻或电流的大小 这种方法对于四足机器 人来说 要调节舵机转速是不切实际的 因为你 无法在四足机器人运动时去调节舵机内部的电路 结构 而另一方面 机器人行走时 不同的环境 要求步伐的速度是不一样的 也就是舵机的转速 是适时变化的 因此 要改变舵机转速 只能通 过软件控制的方法来实现 如机器人的某个舵机 要转过3 0度 则可把3 0度划分成6 0等份 每等份 0 5度 以将舵机转过3 0度的过程看成是舵机转过 6 0个0 5度等份的过程 这样 在每个等份之间作 恰当的延时 例如延时0 0 5 s 那么 转过整个 3 0度就需要3 s的时间 从而达到使舵机转速减低 之目的 当然 由于延时时间为0 0 5 s 对于人 的感官来说是很难感觉到这个停顿 舵机转过6 0 个0 5度的非连续过程对人来说就象是一个连续转 动的过程 图5是一个舵机调速的程序流程图 图2机器人仿真模型 图3 B A T S 4 3舵机 图4 P WM脉冲信号 设计参考 4 5 E l e c t r o n i c C o m p o n e n t n m l k分别为代码段中单 双 三和四 个周期指令的个数 由此就可通过指令本身执行 所需要的时间来代替定时器的功能 假如某个I O口开始时的输出电平为高电平 程序将循环执 行某几条指令 然后使程序在某处停止下来 之 后当1 8 m s的时刻到达时再使程序跳出循环 接 下来再把这个I O口输出电平设置为低电平 接 着再一次进入循环 并当1 8 2 m s的时刻到达时 再把I O口输出电平恢复成高电平 如此循环 就能产生所需要的脉冲信号 以P 1 0输出为例的 单脉冲产生的流程图如图6所示 以上所述是如何在没有使用定时器的情况下 输出一路脉冲的过程 当然 其他的1 1路脉冲也 可以用同样的方法实现 接下来介绍下如何来协 调这1 2路脉冲信号的发送过程 从而控制1 2个舵 机的转动 使四足机器人能够按照要求的步态行 走 从舵机控制原理可知 周期脉冲中 高电平 所占的脉宽不同 舵机所转过的角度就不同 在 四足机器人行走时 各个舵机在某一时刻所转过 的位置是各不相同的 这就要求单片机8 9 C 5 1在 不同时刻发出1 2路占空比各不相同的脉冲控制信 号 另外 四足机器人是按照一个步态接一个步 态有规律的行走 即在某一时刻有几个舵机所控 制的脚在行走 而在接下来的一个时刻又会有另 外的几个舵机所控制的脚在行走 如此反复 经 过若干个步态之后 四足机器人又会回到初始的 状态 接下去就是不断地循环以前的步态 从而 让四足机器人在地面上行走 根据这两个特点 设计程序时 一方面可以利用指令本身执行需要 一定的时间这一特点来代替定时器的功能 以节 省硬件资源 另一方面 根据四足机器人行走时 步态的反复性 也可以用循环的方式 使其按照 指定的步态行走 当然 这里是以机器人直线行 走的方式为例来说明的 而机器人如果是以转弯 的方式行走 也可以按照这样的分析方法来设计 程序 这样所设计的程序比较简练 代码量少 可以节省8 9 C 5 1芯片内部的4 K B的R O M空间 图7 所示是1 2个舵机的控制流程图 5结束语 四足机器人模型中需要控制的关节多达1 2 个 对于一般的芯片来说 如果选用定时方式来 产生舵机控制所需要的脉冲信号显然是不合理 的 而该模型中选用的芯片8 9 C 5 1仅有两个定时 器 因此 如何来产生1 2路 下转第5 0页 4 6 E l e c t r o n i c C o m p o n e n t D e v i c e A p p l i c a t i o n s V o l 1 0N o 1 J a n 2 0 0 8 第1 0卷第1期 2 0 0 8年1月 2 0 0 8 1 w w w e c d a c n 度请求信号 S R e q有效时进行调度 c l r S是调 度请求清除信号 P H Y是选中的物理设备的地址 即要进行调度的物理设备地址 c h n是调度到的 A T M的连接号 A P C L C是当前调度到的连接所连 接的下一个连接号 P C R是峰值信元速率对应的 时隙调度速率 C P S是每个时隙发送的信元数 C P S C N T是信元计数 A T T是A T M通信类型指示 0 0表示P C R通信类型 本设计中的C B R和U B R都 是P C R通信类型 所以A T T均为0 0 从仿真结果 可以看出 调度到的连接号依次为0 0 2 1 3 0 1 2 4 5 2 1 3 6 1 2 可 见 与上面调度算法的分析结果一致 4结束语 本文主要研究了在F P G A上利用V e r i l o g H D L实 现A T M流量控制的方法 提出了一种较为实用的 算法机制 并在此基础上给出了对应的I P核设 计 通过对其进行的功能仿真结果表明 该算法 运行良好且高效 可以满足实际系统的需要 参考文献 1 M o t o r o l a M P C 8 2 6 0P o w e r Q U I C C U s e r sM a n u a l 1 9 9 9 2 T h e A T MF o r u mT e c h n i c a l C o m m i t t e e U t o p i aL e v e l 2 V e r s i o n 1 0 1 9 9 5 3 夏宇闻 V e r i l o g数字系统设计教程 M 北京 北京航 空航天大学出版社 2 0 0 3 4 陈锡生 A T M交换技术 M 北京 人民邮电出版社 2 0 0 0 5 E D A先锋工作室 A L T E R AF P G A C P L D设计 M 北京 人民邮电出版社 2 0 0 6 图3 P H Y 0的调度结果仿真 脉冲变得尤为关键 本文利用指令执行需要一定 时间的特点来代替定时器功能 不仅可以节省 8 9 C 5 1芯片内部的硬件资源 也可利用单片机来 控制1 2个舵机 从而使舵机之间的协调变得相对 简单 这是一种相对合理的方法 同时 该控制 器还可以进行准确的舵机调速 降低舵机的速度 可减小机器人行走时产生的振动 满足机器人不 同环境中的步伐速度要求 目前 按照本设计的 控制方法所设计的四足机器人可以按照给定步态 平稳行走 参考文献 1 刘本伟 机器人制作宝典 M 北京 科学出版社 2 0 0 2 2 时玮 利用单片机P WM信号进行舵机控制 J 今日电 子 2 0 0 5 1 0 8 0 8 2 3 X i a o J i z h o n g D e v e l o p m e n t o f m i n i a t u r e c l i m b i n g r o b o t s M o d e l i n g c o n t r o la n dm o t i o np l a n n i n g D i s s e