智能搬运机器人设计

1简易搬运机器人设计摘 要：该设计主要是针对第十届全国机器人大赛比赛要求设计，具有手动自动的搬运固定物体的能力。大体分为机械部分和电子质控部分，机身采用铝合金框架结构，使用三角全向轮作为底盘，制控部分由 DSP2812 作为主 CPU 与下位机进行并行通信控制系统。关键词：铝合金；全向轮；上位机；下位机；DSP2812；并行通信。Manual Control Robot Design of Simple Handling Robotics Abstract:The design is directed to rules of Tenth National Robotics Competition, witch has manual operation and automatic operation.This robot roughly decompose mechanical parts and electronics parts. Aluminum cover all robot,it is base use triangle with mecanum.Control part use DSP2812 as the main CPU and lower CPU use mega128,use parallel communication contact main and lower.Keywords:Aluminum; Mecanum; DSP2812; Lower CPU; Main CPU; Parallel Communication2目 录1 前言 .11.1 选题背景 .21.2 设计的研究内容与意义 .22 方案的设计 .32.1 总体方案的设计 .32.2 运动控制 .42.2.1 全向轮结构和特性 .42.2.2 以全向轮为基础的三角底盘 .52.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录） .72.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录） .72.3 电子功能模块的选择和特性 .72.3.1 伺服器 .82.3.2 编码盘 .122.3.3 光电传感器 .143 中央控制系统 .163.1 CPU 的选择与软件控制 .163.1.1 主 CPU 的选择 .163.1.2 C28x 系列芯片的主要性能如下 .163.1.3 DSP 电源模块 .183.2 下位机的 功能简介 .193.3 DSP 的最小工作系统以及采样 .193.3.1 DSP2812 的最小工作系统原理图 .193.3.2 DSP 对码盘的采样以及定位算法 .203.3.3 DSP 对传感器采样 .233.4 下位机的工作以及与主机通信 .2513.4.1 升降机构 .253.4.2 抓取机构 .253.4.3 人机对话模块 .273.5 DSP 在线仿真的界面 .303.6 AVR 单片在线 仿真界面 .304 总结 .31参考文献 .32致谢 .错误！未定义书签。11 前言机器人技术是一个国家的综合实力的重要体现，现在国际社会对机器人的发展越来越重视，从军用机器人到民用机器人 1-5。机器人技术的更新日新月异。我国为发展机器人技术储备新兴力量与亚太传媒合作举行了亚太机器人比赛的国内选拔活动，该比赛需要机器人能自动识别场地路线，拾取目标搬运到指定区域，机器人必须有巧妙地机械结构设计和高性能的电子控制，对机电一体化要求很高 6。针对这些要求机械部分我设计了能灵活移动的全向轮底盘，它可以在平面内向任何一个方位移动不需要机身转向，为了保证升降和抓取物体的稳定传动部分采用同步带传动。大部分的加工使用线切割和激光切割；电子制控部分为了实现多功能能联动和精确定位使用并行总线通信也就是一个主 CPU 采集传感器数据发送到并行总线上与多个丛机进行电机控制 7。主 CPU 使用DSP2812 芯片，它是拥有 150M 左右的高速运算能力和强大的采集数据功能。在程序方面为缩短研发周期大量使用模块化设计，这样不仅方便现场调试而且更新版本更加容易8-10。1.1 选题背景随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念 11-13。为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地区纷纷开展了各种类型的机器人比赛。 “亚太大学生机器人大赛国内选拔活动”是中央电视台负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器人大赛”的预选赛。 “亚广联亚太地区机器人大赛”的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从 1988 年开始，于 1989 年成为日本 NHK 每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛” 。1990 年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。本次毕业设计的题目就来自中央电视台“亚太大学生机器人大赛国内选拔活动” 14。由于我校的参赛经验、制作水平的不足，成绩并不理想；在第 6 届比赛中，我校凭借良好的技术和灵活的作战策略，制作的灵巧机器人表现出色，杀入全国 32 强；第 9届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到全国 16 强的好成绩。由于前五届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，今年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我们先2后研制了十余台机器人，目前已经取得了国内选拔赛的冠军，在剩下的时间里，我们将根据机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器人大赛”的国际赛作最后的准备 15-18。1.2 设计的研究内容与意义随着微电子技术的快速发展越来越多的高智能产品诞生，我们的生产时间大大减少。大量具有特定功能的模块的产生使得电子研发周期大大缩短，领域也更加广泛。针对这次比赛设计的机器人就是将很多已经很成熟的模块进行拼装用软件将其有机的结合实现智能寻路和抓取物品。研究的主要内容就是如何对这些模块进行拼装和改进以及软件的程序编写 19。大体可细化为以下几个方面：1)机器人机械结构设计：灵活的升降机构和抓取机构，在升降过程中除了有足够的力矩还要保持整个机体的稳定性使整体重心不超过允许偏离范围，抓取机构的工作部分要能很好适应不同尺寸的物体。机器人底盘在能灵活移动的前提下必须有良好的爬坡能力是其能爬上 30 度左右的斜坡。2)硬件模块的拼装：使用已有的功能模块进行组装必须使其相互兼容，这几就涉及到电源和信号的兼容，所以研发电频转换模块是该项目的一个重点3)控制部分：使用 DSP2812 对外界环境采样通过算法变成 2-8 位 2 进制数据发送给下位机进行工作。DSP2812 是目前算法处理的尖端芯片，对它的使用也是一个漫长的学习和研究阶段。程序算法的开发是本项目的核心。该项目的主要技术有广阔的发展前景，凡是需要智能定位的地方都需要这项技术，包括数控机床、自动包装机、太阳能系统等。机器人尤其是机器人大赛的参赛机器人是需要机械和电路紧密配合的，巧妙的机械结构会减轻控制方面的难度并带来稳定性的提升；良好的控制和多种传感器的使用使得机器人的功能能够完全发挥。机械和电路两方面任何一方做不好都会影响到比赛机器人的最终效果。以往，做机械的队员，往往因为对电和各种传感器了解不多而设计不出好的机器人；做电路的队员，往往因为对机器人的机械特性不够而发挥不了机器人的性能。因此本人深感有必要在机电机构优化设计方面做一次深刻的探讨，本人的研究工作也正是机电结构的优化设计。但是对机电结构的优化设计往往是一点一滴的改进，很难系统地、大篇幅地做出叙述。本人尽力在各种零碎的改进中整理出条理。本人工作主要是：1)对比赛规则的研究与分析，从而确定比赛机器人的研发、制作目标；32)在机器人制作过程中，对手动与自动机器人的结构进行优化与改进；3)在机器人调试过程中，提出机器人坐标定位的校正方法，打滑检测的方法，障碍区分的方法等并在机器人上实现 20。2 方案的设计2.1 总体方案的设计总的方案设计如图 1 所示。注意箭头方向表示信号传输方向,具体的设计的 PCB 见附图1，实物图见附图 2, 原理图见附录。TMSF320F2812Mega32Mega32 Mega32伺服器伺服器 舵机底盘电机升降电机 同步带曲柄摇杆执行部分齿盘四杆机构三角底盘编码盘光电开关控制手柄图 1 总体方案设计图Fig.1 Overall scheme design文字说明：本机器人采用 TMSF320F2812 芯片作为上位机，通过编码盘和光电开关运算距离及准确定位，主芯片 TMSF320F2812 控制 3 个 Mega32 下位机。下位机 1 号Mega32 通过控制 1 号伺服电机来控制底盘电机，从而控制三角底盘；下位机 2 号Mega32 直接控制 2 号伺服电机，从而控制升降电机，控制齿盘，最终控制四杆机构；3 号下位机 Mega32 通过控制舵机而控制同位带，从而控制曲柄摇杆机构，最终控制执行部分；下位机 2 号与 3 号，也通过控制手柄来控制；机器人正是通过 3 个 Mega32的下位机分别管理底盘升降机构和曲柄机构，从而实现机器人在 X、Y、Z 轴三维空间的运动 21-23。2.2 运动控制42.2.1 全向轮结构和特性假设移动机器人具有刚性外壳,不变形的轮子,运动局限在平面上。则机器人在平面上的位置可以由图2表示。平面世界坐标系定义xoy ,点P 为在机器人本体上的参考点,车体坐标系为X PY ,则机器人的位置和姿态可以由= ( x , y ,) T 表示, 其中( x , y) 为点P 在平面世界坐标系中的位置,为世界坐标系下x 轴到机器人坐标系X 轴的角度, 逆时针为正. 用点P 来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , ) 三个自由度的运动,则称其为全方位移动机器人.将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮系,如 Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称 Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为 ,通常夹角 为 45,如下图所示，每个轮子具图 2 坐标图Fig.2 Coordinates figure有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的其Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。5图 3 轮子图Fig.3 Wheels figure2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三角底盘和四边形底盘它们的功能特性也有很大差别。（1） 四边形底盘：动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到 P 底盘重心 O 的距离都等于 a 如下图所示，假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3、f4,按照力学公式推导如下Fx = f1 + f3Fy = f3 + f4Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a)6图 4 底盘重心图 1Fig.4 Chassis gravity map11).当 f1=f2；f1 与 f2 方向相同 f2=f4=0 此时机器人向 f1 方向运动；2).当 f2=f4；f2 与 f4 方向相同 f1=f2=0 此时机器人向 f2 方向运动；3).当 f1=f2=f3=f4 方向一致时，此时机器人原地旋转；4).当 f1=f3=F1,f2=f4=F1，F1 方向与 F2 相反 此时机器人向 F1 与 F2 的合力方向移动。(2) 三角形底盘：三角形底盘为等边三角形，动力轮分布在三条垂直平分轴线上，且到重心距离相等。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为 f1、f2、f3,按照力学公式推导如下：Fx = f1 + f2*cos30 + f3*cos30Fy = f2*sin60 + f3*sin60Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a)7图 5 底盘重心图 2Fig.5 Chassis gravity map21).当 f3=f2；f3 与 f2 方向相反 f1=0，此时机器人向 f3 与 f2 合力方向运动；2).当 f1=2*f2=2*f3f2 与 f3 方向相同 f1=f2=0，此时机器人向 f1 方向运动；3).f1=f2=f3 方向一致时，此时机器人原地旋转；4).此时如果依照四边形底盘第 4 种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向的合力但无法使 Mo =0 这样机器人就会走出一个弧线。只有当合力方向在大约 35时 Mo=0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差 35的斜线方向直线移动。综上分析两种底盘都能实现平移和走莫一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者均有利弊必须进一步分析确定设计思路 我们可以看出行走方向可以通过软件程序进行补偿但是过定位的精度影响会对整个机体造成很大影响，走后我选择三角地盘的设计思路 24。2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录）2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录）2.3 电子功能模块的选择和特性一台智能化的机器人不仅需要一个稳定可靠的机械结构更需要高性能的电子制控。制控可分为机器人底盘的定位和识别需夹取物体的坐标两大块。底盘的定位首先需要对距离的识别和保证电机的转动距离满足定位精度不会产生失步和打滑现象，再次就是要良好的控制性能模块化管理，最后就能简化程序编写。我们选择了伺服器和编码8盘两种定位功能模块 24。2.3.1 伺服器DCS810全数字直流伺服驱动器采用专用运动控制DSP 和高效MOSFET等先进技术。控制指令信号与步进驱动器兼容，用户不用更换控制器，就可将所用的步进驱动升级为全数字直流伺服驱动,并且控制的效果比原先选择的控制方式要高。由DCS810 组成的小功率运动控制系统在速度、精度、噪声和低速平稳性等方面达到甚至超越数字式交流伺服系统，而系统成本远低于交流伺服。其体积小巧、安装方便、可靠性高、调试简单。用户可通过雷赛Pro Tuner调试软件、文本显示器或STU伺服调试器轻松实现系统参数整定和保存 25-26。图 6 DCS810Fig.6 DCS810(1) 适用范围 适合驱动有刷、永磁直流伺服电机，空心杯永磁直流伺服电机，力矩电机； 最大连续电流10A，最大峰值电流20A； 直流电源+1238V； 功率400瓦以内，过载能力达800瓦； 9 速度、位置的四象限控制。(2) 主要功能 输入模拟信号进行速度控制； 输入PWM信号进行速度控制； 通过RS232口进行速度控制； 通过RS232口进行位置控制； 输入脉冲、方向信号进行步进模式控制； 外部零位信号输入； 外部制动信号输入； 通过RS232实现PC控制、参数调整、在线监测； 实时读取驱动器内部温度； 过流、过载、过压、欠压保护； 温度保护； 超调、失调保护，动态跟踪误差保护。(3) 技术参数表1 技术参数表Tible1 Technology parameter table参数 标号 参数值 单位电源电压 U 12-38 VDCPWM开关频率 fPWMDS3810E / DS3810：62.5DS3810TE / DS3810T：20kHz效率 95 %最大连续输出电流 Idauer 10 A最大峰值输出电流 Imax 20 A硬件保护电流 Ip 26 A电源保险 30 A静态功耗（待机电流）Iel 115/12V，65/24V，45/38V mA可控速度范围 130000 RpmVCC 5 VDC输出编码器电源ICC 60 mA模拟输入端 输入阻抗 25 K10模拟信号速度控制 输入电压范围 10V VPWM控制 信号标准 低电平00.3，高电平35 V续表参数 标号 参数值 单位参数 频段 100500 Hz占空比范围 1%占空比99%占空比50% 0 RPM占空比50% 电机反转 CCW占空比50% 电机正转 CWfmax 800 KHz集电极开路输出 最大电压为30V，电流5mA步进脉冲最高频率故障输出有故障 低电平输出ENDIR逻辑电平 低电平00.3，高电平35 V逻辑电平 低电平00.3，高电平35 V编码器输入 逻辑电平 低电平00.3，高电平35 V最高频率 200 KHz欠压保护过压保护10.5 V54 V通讯端口RS232 9600（2400、4800、19200） bps内置存储器 EEPROM 256 bytesDS3810/ DS3810T小于-10或大于70保护；高低温保护DS3810E/ DS3810TE 小于-40或大于85保护工作温度 DS3810/ DS3810T -10 +70 DS3810E/ DS3810TE -40 +85DS3810/ DS3810T -40 +85储存温度DS3810E/ DS3810TE -55 +125（4）接口定义，如图7所示。11（5）步进控制模式（脉冲方向模式） a）信号来源：CLK，DIR b）设置模式：步进控制模式，信号源：SCS3 c）常用指令： 设置最大速度：SSP 参数 设置最大跟踪误差：SER 参数 设置最大加速度：A 参数图 7 MLDS3810Fig.7 MLDS3810 设置步宽：STW参数 读取步宽值：GSTW 切换到步进模式：Se）工作原理 在步进模式下，脉冲输入端每接收一个脉冲，电机将运转一个步宽； 这种工作模式能同时实现位置和速度控制。由于允许设置步宽（STW），输入频率和电机转速的比率可以根据需要设置。 转速与脉冲频率之间的关系如下： 转速脉冲频率X步宽（STW）X 60 编码器分辨率（4倍线数） 位置与脉冲个数之间的关系如下：位置（圈数）脉冲个数X步宽（STW） 编码器分辨率（4倍线数） f）优点（与步进电机比较） 12步宽可编程设定； 没有因齿槽效应而引起的转矩损失； 具有优异的动态特性； 无震动，发热小； 采用闭环控制，不会产生“丢步”现象； 功率随负载变化动态调节，效率高（步进电机无论有无负载，均按最大功率运行）表2 信号传递表Table2 Signal transmission tableVDD 驱动器电源(1238V) 输入 电源 VSS 驱动器电源地 输入MOT+ 电机驱动信号正 输出MOT- 电机驱动信号负 输出电机 GND 控制信号地 输入TX RS-232发送端 输出RX RS-232接收端 输入RS232 AIN+ 模拟输入信号正 输入AIN- 模拟输入信号负 输入EN 外部使能控制（高电平有效） 输入CLK/PWM 控制输入（脉冲 / 脉宽） 输入DIR 方向控制(只在步进模式有效) 输入ORG 位置清零（低电平有效） 输入BRAKE 急停（低电平有效） 输入控制信号FAULT 故障输出（集电极开路） 输出GND 控制信号地 输入+5Vout 编码器正电源 输出A+ 编码器信号A通道 输入A- 编码器信号A通道 输入B+ 编码器信号B通道 输入B- 编码器信号B通道 输入GND 编码器电源地 输出编码器(6) 伺服器的运用伺服器是一种电机驱动模块它采样与电机同轴的编码盘通过自身的PID算法能很的对电机的状态进行控制其中包括电机的转速与圈数，在收到电机停止信号时能很好的锁死电机使机器人能在任何时候迅速停止运行。它集成的过流过压保护能很好的保护电机延长只用寿命。我们运用他的强大功能能对机器人的速度和路程进行理论控制，为什么是理论控制呢？应为打滑和失步的影响会降低控制精度在后续的章节中会详细叙述如何使用传感器提高控制精度。132.3.2 编码盘(1) 编码盘结构与原理编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后位置信息也不丢失。 工作原理：编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码，二十进制编码、格莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置 27-29。下面以接触式编码盘为例说明其工作原理。如图 8 所示是光电编码盘的基本工作原理，码盘是一个被雕刻出很多细小栅格的圆盘，光信号通过码盘有通光和不通光两种状态，狭缝后是一个光感原件当接收到光线照射就会产生电压信号，不通光时就处于截止状态，这样当接收到一个电压信号我们就知道码盘转了一个栅格从而达到计算路程的作用。如图 9 所示是一个 4 位二进制编码盘，图中涂黑部分是绝缘的。码盘的外 4 圈按导电为“1” 、绝缘为“0”组成二进制码。通常，我们把组成编码的各圈称为码道。对应 4 个码道并排安装有 4 个电刷，电刷经电阻接到电源正极。编码盘最里一圈是公用的，与 4 个码道上的导电部分连在一起，而与绝缘部分断开，该圈接到电源的负极(地)。编码盘的转轴与被测对象连在一起(如机床丝杠)，编码盘电刷则装在一个不随被测对象一起运动的部件(如机床本体)上。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电刷串联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。如图(b)所示，若编码盘沿顺时针方向转动，就可依次得到 0000，0001，0100，1111 的二进制输出。(2) 编码盘的运用编码盘随着转动发出一个频率变化的脉冲信号，该信号的频率可以表现此时机体的运动速度，脉冲个数可以变现所走过的距离，这样我们使用 CPU 采样这些脉冲信号就能对其很好的控制14图 8 编码盘结构图 1Fig.8 Coding plate structure1图 9 编码盘结构图 2Fig.9 Coding plate structure22.3.3 光电传感器关 是 传 感 器 大 家 族 中 的 成 员 ， 它 把 发 射 端 和 接 收 端 之 间 光 的 强 弱 变 化 转 化 为 电 流的 变 化 以 达 到 探 测 的 目 的 。 由 于 光 电 开 关 输 出 回 路 和 输 入 回 路 是 电 隔 离 的 （ 即 电 缘 绝 ）， 所 以 它 可 以 在 许 多 场 合 得 到 应 用 。(1) 工 作 原 理光 电 开 关 （ 光 电 传 感 器 ） 是 光 电 接 近 开 关 的 简 称 ， 它 是 利 用 被 检 测 物 对 光 束 的 遮挡 或 反 射 ， 由 同 步 回 路 选 通 电 路 ， 从 而 检 测 物 体 有 无 的 。 物 体 不 限 于 金 属 ， 所 有 能 反射 光 线 的 物 体 均 可 被 检 测 。 光 电 开 关 将 输 入 电 流 在 发 射 器 上 转 换 为 光 信 号 射 出 ， 接 收器 再 根 据 接 收 到 的 光 线 的 强 弱 或 有 无 对 目 标 物 体 进 行 探 测 。 工 作 原 理 如 图 1 所 示 。多 数 光 电 开 关 选 用 的 是 波 长 接 近 可 见 光 的 红 外 线 光 波 型 。 图 10 是 德 国 SICK 公 司 的部 分 光 电 开 关 外 型 图 30-31。15图 10 光 电 开 关 外 型 图Fig.10 The photoelectric switch exterior figure(2) 光 电 开 关 的 分 类 32 漫 反 射 式 光 电 开 关 ： 它 是 一 种 集 发 射 器 和 接 收 器 于 一 体 的 传 感 器 ， 当 有 被 检 测物 体 经 过 时 ， 物 体 将 光 电 开 关 发 射 器 发 射 的 足 够 量 的 光 线 反 射 到 接 收 器 ， 于 是 光 电 开关 就 产 生 了 开 关 信 号 。 当 被 检 测 物 体 的 表 面 光 亮 或 其 反 光 率 极 高 时 ， 漫 反 射 式 的 光 电开 关 是 首 选 的 检 测 模 式 。 镜 反 射 式 光 电 开 关 ： 它 亦 集 发 射 器 与 接 收 器 于 一 体 ， 光 电 开 关 发 射 器 发 出 的 光线 经 过 反 射 镜 反 射 回 接 收 器 ， 当 被 检 测 物 体 经 过 且 完 全 阻 断 光 线 时 ， 光 电 开 关 就 产生 了 检 测 开 关 信 号 。 对 射 式 光 电 开 关 ： 它 包 含 了 在 结 构 上 相 互 分 离 且 光 轴 相 对 放 置 的 发 射 器 和 接 收器 ， 发 射 器 发 出 的 光 线 直 接 进 入 接 收 器 ， 当 被 检 测 物 体 经 过 发 射 器 和 接 收 器 之 间 且 阻断 光 线 时 ， 光 电 开 关 就 产 生 了 开 关 信 号 。 当 检 测 物 体 为 不 透 明 时 ， 对 射 式 光 电 开 关 是最 可 靠 的 检 测 装 置 。 槽 式 光 电 开 关 ： 它 通 常 采 用 标 准 的 U 字 型 结 构 ， 其 发 射 器 和 接 收 器 分 别 位 于U 型 槽 的 两 边 ， 并 形 成 一 光 轴 ， 当 被 检 测 物 体 经 过 U 型 槽 且 阻 断 光 轴 时 ， 光 电 开 关 就产 生 了 开 关 量 信 号 。 槽 式 光 电 开 关 比 较 适 合 检 测 高 速 运 动 的 物 体 ， 并 且 它 能 分 辨 透 明与 半 透 明 物 体 ,使 用 安 全 可 靠 。 光 纤 式 光 电 开 关 ： 它 采 用 塑 料 或 玻 璃 光 纤 传 感 器 来 引 导 光 线 ， 可 以 对 距 离 远 的被 检 测 物 体 进 行 检 测 。 通 常 光 纤 传 感 器 分 为 对 射 式 和 漫 反 射 式 。它 们 的 工 作 光 线 示 意 图 如 图 11 所 示 。16图 11 工 作 光 线 示 意 图Fig.11 Lighting schemes3 中央控制系统3.1 CPU 的选择与软件控制3.1.1 主 CPU 的选择 为了满足快速的运算和采样，我选择了 DSP2812 它是一款高速运算芯片主频率何以达到 150M。TMS320C2000 系列是美国 TI 公司推出的最佳测控应用的定点 DSP 芯片，其主流产品分为四个系列：C20x、C24x、C27x 和 C28x。C20x 可用于通信设备、数字相机、嵌入式家电设备等；C24x 主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动化、电力转换系统等。近年来，TI 公司又推出了具有更高性能的改进型 C27x 和 C28x 系列芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入功能，从而拓宽了数字信号处理器的应用领域。TMS320C28x 系列是 TI 公司最新推出的 DSP 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的 32 位定点 DSP 芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。3.1.2 C28x 系列芯片的主要性能如下（1） 高性能静态 CMOS（Static CMOS）技术 150MHz（时钟周期 6.67ns） 低功耗（核心电压 1.8V，I/O 口电压 3.3V） Flash 编程电压 3.3V17（2） JTAG 边界扫描（Boundary Scan）支持（3） 高性能的 32 位中央处理器（TMS320C28x） 16 位16 位和 32 位32 位乘且累加操作 16 位16 位的两个乘且累加 哈佛总线结构（Harvard Bus Architecture） 强大的操作能力 迅速的中断响应和处理 统一的寄存器编程模式 可达 4 兆字的线性程序地址 可达 4 兆字的数据地址 代码高效（用 C/C+或汇编语言） 与 TMS320F24x/LF240x 处理器的源代码兼容（4） 片内存储器 8K16 位的 Flash 存储器 1K16 位的 OTP 型只读存储器 L0 和 L1：两块 4K16 位的单口随机存储器（SARAM） H0：一块 8K16 位的单口随机存储器 M0 和 M1：两块 1K16 位的单口随机存储器（5） 根只读存储器（Boot ROM）4K16 位 带有软件的 Boot 模式 标准的数学表（6） 外部存储器接口（仅 F2812 有） 有多达 1MB 的存储器 可编程等待状态数 可编程读/写选通计数器（Strobe Timing） 三个独立的片选端（7） 时钟与系统控制 支持动态的改变锁相环的频率 片内振荡器 看门狗定时器模块（8） 三个外部中断18（9） 外部中断扩展（PIE）模块 可支持 96 个外部中断，当前仅使用了 45 个外部中断（10） 128 位的密钥（Security Key/Lock） 保护 Flash/OTP 和 L0/L1 SARAM 防止 ROM 中的程序被盗（11） 3 个 32 位的 CPU 定时器（12） 马达控制外围设备 两个事件管理器（EVA、EVB） 与 C240 兼容的器件（13） 串口外围设备 串行外围接口（SPI） 两个串行通信接口（SCIs），标准的 UART 改进的局域网络（eCAN） 多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式（14） 12 位的 ADC，16 通道 28 通道的输入多路选择器 两个采样保持器 单个的转换时间：200ns 单路转换时间：60ns（15） 最多有 56 个独立的可编程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚（16） 高级的仿真特性 分析和设置断点的功能 实时的硬件调试（17） 开发工具 ANSI C/C+编译器/汇编程序/连接器 支持 TMS320C24x/240x 的指令 代码编辑集成环境 DSP/BIOS JTAG 扫描控制器（TI 或第三方的） 硬件评估板（18） 低功耗模式和节能模式19 支持空闲模式、等待模式、挂起模式 停止单个外围的时钟（19） 封装方式 带外部存储器接口的 179 球形触点 BGA 封装 带外部存储器接口的 176 引脚低剖面四芯线扁平 LQFP 封装 没有外部存储器接口的 128 引脚贴片正方扁平 PBK 封装（20） 温度选择 A：-40 +85 S：-40 +1253.1.3 DSP 电源模块DSP 使用的是 3.3V 电源，对电源要求很高，过大的电源噪声很容易是程序跑飞或者芯片烧毁，使用 LM117 稳压芯片能很好的解决这一问题如图 12 所示是该电源模块的原理图。图 12 电源模块的原理图Fig.12 The power modules of the principle diagram3.2 下位机的功能简介下位机使用的是 AVRMega128 单片机他功能强大使用简便有很好的抗干扰能力，便宜的价格使它运用广泛，在本项目中我们只使用了它的通用 IO 口功能和硬件 PWM 功能，采样部分和算法主要交给 DSP 来完成。附图为下位机工作系统原理图。3.3 DSP 的最小工作系统以及采样3.3.1 DSP2812 的最小工作系统原理图20图 13 DSP2812Fig.13 DSP28123.3.2 DSP 对码盘的采样以及定位算法(1) 码盘采样接口部分与伺服器控制接口如 14 所示图 14 伺服器控制接口Fig.14 Server control interface(2) 码盘的采样码盘的 A 象与 B 象会发出频率和幅值完全相同的 PWM 脉冲，他们相差 90当编码盘正转时当 A 象处于高电平 B 象为低电平，A 象为低事 B 为高，编码盘反转21时情况相反这样我们通过同时采样 A 象与 B 象电平信号就可以采样机体所运动的距离同时知道是前进还是后退。如上图所示 QEP1 为 DSP 的捕获硬件功能接口，其工作原理是当外部产生一个上升沿或下降沿的电平转换时捕获硬件会触发一个PIE 级的终端信号通过打开 PIE 终端模块和 CPU 级终端使能程序会自动跳转至相应的终端向量地址进入终端服务函数此时我们就可以在该函数内赋值一个全局变量 NUM 记录捕获到的数据，QEP2 为自己设定的 IO 功能口，在进如终端函数时通过判断 QEP2 的电平信号也就是 B 象是高还是低从而使 NUM 增加还是减少达到判断正反转目的，程序框图如 15 所示。机器人选用的从动轮码盘由斯堪迪纳维亚建设公司生产 2RMHF 型编码盘，它是 1000 线的中空轴编码盘，输出 A、B、Z 三相脉冲。在电路实现上码盘的四路信号 A，_， B，_可经过差分传输器形成两路信号，且这两路信号有 90 度的相差，也可以直接利用有 90 度相差的 ， 两路信号。在 CPLD 中用一路信号对另一路信号进行鉴相就可以知道码盘是正转还是在反转，正转时加计数，反转时减计数。使用的码盘点数为 1024，从动轮直径为 250mm，当 NUM 计数到 1024 时就知道机器人前进了 S 当产生打滑或失步时就能通过对 NUM 的值判断其误差从而进行补偿(3) 伺服器的控制图 15 伺服器的控制图Fig.15 Server control除了对机器人行走路线的采样外还需要使机器人到达指定目标区域这就是CPU对伺服器的控制，在前面了解到伺服器的步进工作模式当它的CLKPWM口接受到幅值为225V的脉冲信号时此时电机就会运转，电机的转速由该脉冲信号的频率决定，频率越快电机转速越快当频率达到10K时相当于电机直接与24V电压相接，电机的转向由伺服器DIR端口控制，当为高电平时电机正转，为低时电机反转。电机所转圈数由脉冲个数决定，这样我们就能很好的控制电机的状态从而很好的控制极之人的路线。(4) PWM产生模式这里的PWM发生模式有两种一种是软件发出另一种是硬件产生。(4.1) 软件PWM的产生软件PWM产生是通过软件给以个IO赋值为高电平在延迟一定时间后转换为低电平以此循环，延迟时间就为该脉冲信号的频率，这样做的好处就是能很好的控制脉冲个数，我们使用的循环能根据开发者要求立刻跳出这样就能给伺服器我们做需要的脉冲个数。具体操作如下，如下程序GPIOF014口发送了100个频率为1K的脉冲#include DSP281x_Device.h#include System.hVoid main (void)Int i = 0 /设置脉冲个数变量InitSysCtrl(); /系统初始化 EALLOW;/关闭 IO口寄存器保护GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF14=1;/设置 IO F14口为输出口GpioMuxRegs.GPFMUX.bit.XF_GPIOF14 = 0;/ 设置 IO F14使用第一功能EDIS; /打开 IO口寄存器保护for (i=0;i100;i+)GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF14 = 1;Delay(100);/延迟函数GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF14 = 0;Delay(100);(4.2) 硬件PWM的产生硬件的产生是由的事件管理器中自带的定时器来控制，如下图定时器开始后会不停的计数，从加到最大值后返回继续计数，计数器增加的快慢由定时器分频器的值来决定，它把的时钟频率分频后使计数器的累加加快或减慢。这时我们设定一个比较值与之匹配，当计数器累加到这个值时就自动递减，递减到后重复前面操作。当相应的口被设定为使用硬件功能时我们设定其电平跳变寄存器，让这个口在计数匹配时电压自动跳变：（）由高到底（）由低到高。这样就可以得到一个可以调整频率的脉冲信号。23图 16 脉冲信号Fig.16 Pulse signal下面为硬件功能的具体操作，我们设置了DSP2812硬件功能口T2PWMP发出一个频率为1K的脉冲EvaRegs.T2CON.bit.TMODE = 2;/连续增计数器模式EvaRegs.T2CON.bit.TPS = 1; /输入时钟2分频EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE = 0;/定时器停止EvaRegs.T2CON.bit.TECMPR = 1;/定时器比较使能EvaRegs.T2CON.bit.TCLD10 = 1;/比较寄存器重装与计数器值=0或=周期寄存器/通用定时器控制寄存器AEvaRegs.GPTCONA.bit.T2CMPOE = 1;/输出T12PWM-T12CAP由定时器2驱动EvaRegs.GPTCONA.bit.TCMPOE = 1;/输出T12PWM-T12CAP由各自定时器驱动EvaRegs.GPTCONA.bit.T2PIN = 2;/定时器2输出比较高有效EvaRegs.GPTCONA.bit.T1PIN = 2;/定时器1输出比较低有效/比较器控制寄存器EvaRegs.COMCONA.bit.CENABLE = 1;/比较器使能EvaRegs.COMCONA.bit.CLD = 1;/比较器TXCMPR重载条件（清0匹配重载）EvaRegs.T2PR = 5000;/设置定时器2周期值EvaRegs.T2CMPR = 2500;/设置比较匹配值EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE = 1;/定时器2技术开始(5) 脉冲发生模式的比较选择通过上述讲解我们知道了两种脉冲发生模式的，他们之间有优势也有劣势，综合评定得出以下结论：软件PWM模式程序简单容易控制，最大的优势是能很好的控制脉冲个数这样就能控制电机所转的圈数，但是很占用主函数运行时间，大部分的主24函数都用于发生脉冲这样对其他传感器的采样就有很大影响尤其是对编码盘的采样；硬件PWM模式程序量大比容易控制脉冲个数但是他是硬件自动发出脉冲不占用主函数运行时间，我们想停止脉冲的发出就只要在主函数中写入停止定时器的语句就可以了，需要发出再打开就可以了，对于控制电机的转的圈数我们就依靠下面讲到的定位系统就能够完成了。(6) 定位系统由于当速度不为0时机器人忽然停止就会产生打滑现象严重影响定位精度，在速度从0忽然启动时同样也会打滑影响定位，所以我们在软件中加入加速和减速至的部分来减小打滑，但是速度路程曲线不可能是绝对的线性所以依然有“急停”和“忽然启动”致使产生打滑的现象，这时就需要码盘辅助定位大体思路如图15所示假设需要从A点前进到B点 AB在一条直线山距离为S，