湖面清扫智能机器人的控制系统设计

湖面清扫智能机器人的控制系统设计湖面清扫智能机器人的控制系统设计 1 引言 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 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 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 21 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 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 举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮 污 染 的加剧根治水污染 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 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 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 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 Kinematic Control 控制器常采用 PD 或 PID 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 Dynamic Control 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 Model base Control 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 3 湖面清洗智能机器人的系统概述 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 DSP 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 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 4 硬件总体设计 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 DSP 控制器为核心器件 选用 DSP 芯片而不是比较廉价的普通单片机作为核心器件 主要是考虑到 DSP 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 ADC PWM 等 能够大大减少外围电路的 设计难度 而且 DSP 芯片的数据处理能力是普通单片机无法比拟的 以 DSP 为核心的机器人控制系统总体结构如图 1 所示 图 1 机器人控制系统结构 控制系统选用了 TI 公司的 TMS320LF2407A DSP 它是专门为数字电机控 制 应用而优化的 DSP 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 DSP 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 SCI 模块以及 ADC 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 5 硬件模块设计 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 ADC 模块 5 1 处理器模块 5 1 1 TMS320LF2407A 简介 美国德州仪器有限公司 TI 的 TMS320LF2407A DSP 是为了满足控制应 用 而设计的 它把一个高性能 16 位的 DSP 内核和片内外设集成在一个芯片上 体现了 SOC System On Chip 的技术发展趋势 其处理速度为 40 兆指令 秒 为诸多领域提供了先进的数字解决方案 DSP 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 该 DSP 芯片有如下性能和特点 1 由于采用了高性能的静态 CMOS 制造技术 因此该 DSP 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 3V 有四种低消耗工作方式 单指令周期最短为 25ns 40MHz 最高运算速度可达 40 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 TMS320LF2407A 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 CPU 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 TMS320C2XX DSP CPU 的 16 位定点低功耗内核 保证了 与 TMS320C24X 系列 DSP 的代码兼容性 允许设计者从其它通用 TMS320 定点 DSP 上移植程序 降低了软件投资 缩短了开发周期 4 片内集成了 32K 字的 Flash 程序存储器 2K 字的单口 RAM 544 字的 双 口 RAM 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 64K 字程序存储器 64K 字数据存储器 64K 字 I O 端口的 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 EV 每一个都包含两个 16 位通 用定时器 可用于产生采样周期 作为全比较单元产生 PWM 输出以及软件定 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 TxCMPR 和一个 PWM 输出引脚 TxPWM 每个通用定时器都可以 独立地用于提供 PWM 输出通道 可产生非对称或对称 PWM 波形 因此 四 个通用定时器最多可提供 4 路 PWM 输出 另外 EV 还包括一个能够快速封锁 输出的外部引脚 PDPINTx 其状态可从 COMCONx 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 EVA 4 5 和 6 EVB 每个比较单元各有一个 16 位比较寄存器 CMPRx 对于 EVA 模块 x 1 2 3 对于 EVB 模块 x 4 5 6 各有两个 CMP PWM 输出引 脚 可产生 2 路 PWM 输出信号控制功率器件 其输出引脚极性由控制寄存器 ACTR 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 PWM 波形 非对称 PWM 波形或 空间矢量 PWM 波形 8 正交编码脉冲电路 正交编码脉冲 QEP 电路可以对引脚 CAP1 QEP1 和 CAP2 QEP2 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 并据此对信号进行加 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 CPU 发中断请求 10 可编程看门狗定时器 保证程序运行的安全性 11 A D 转换模块 包括两个带采样 保持的各 8 路 10 位 A D 转换器 具 有 可编程自动排序功能 一次可执行最多 16 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 16 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 A D 转换时间为 500ns 12 控制器局域网 CAN 模块 是现场总线的一种 主要用于各种设备 的 监测及控制 13 串行通信口 TMS320LF2407A 设有一个异步串行外设通信口 SCI 和 一个同步串行外设通讯口 SPI 用于与上位机 外设及多处理器之间的通信 SCI 即通用异步收发器 UART 支持 RS 232 和 RS 485 的工业标准全双工通 信模式 用来与上位机的通信 SPI 可用于同步数据通信 典型应用包括 TMS320LF2407A 之间构成多机系统和外部 I O 扩展 如显示驱动 14 锁相环电路 PLL 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 15 数字 I O TMS320LF2407A 有 41 个通用 双向的数字 I O 引脚 其中 大多数都是基本功能和一般 I O 复用引脚 16 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 NMI 及两个可屏蔽中断 18 很宽的工作温度范围 普通级 40 125 TMS320LF2407A 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 UPS 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 5 1 2 DSP 的电源供电 TI 的 DSP 上有 5 类典型的电源引脚 1 CPU 核电源引脚 3 3V 2 I O 电源引脚 3 3V 3 PLL 电路电源引脚 3 3V 4 FLASH 编程电源引脚 5V 5 模拟电路电源引脚 3 3V 由此可见 除了 FLASH 编程电源引脚 TMS320LF2407A 的其它电源引脚 都采用 3 3V 电压 减小了芯片功耗 但常用直流电源为 5V 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 3V 电压 但这样很难保 证电源电压的稳定性 影响 DSP 的正常运行 另一种方法是采用专门的电源转 换芯片 将 5V 电压降为 3 3V 为了得到适合 TMS320LF2407A 的 3 3V 供电要 求 使用了 TI 推荐的 TPS7333 输出 3 3V 500mA 7333 输出后的 10uF 和 0 1uF 的电容不能省略 否则得不到稳定的 3 3V 电压 电源转换电路如图 2 所 示 其中 2mm 的电源插孔 J1 标识为内正外负 5V 稳压直流电源输入 图 2 电源转换电路 需要注意的是 CPU 内核要先于 I O 上电 后于 I O 掉电 CPU 内核与 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 1s 否则会影响 器件的寿命或损坏器件 5 1 3 JTAG 接口电路设计 由于 TMS320LF2407A 结构复杂 工作速度快 外部引脚多 封装面积小 引脚排列密集等原因 传统的并行仿真方式已不适合于 TMS320LF2407A 的开 发应用 TMS320LF2407A 具有 5 线 JTAG 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 JTAG 是主流的片上调试技术 它已经被 IEEE 1149 1 标准所采纳 JTAG 接口电路的原理如图 3 所示 图 3 JTAG 接口电路的原理图 5 1 4 时钟电路 LF2407A 的时钟使用嵌入到 DSP 内核的锁相环 PLL 电路 可以从一 个较低的外部时钟合成片内时钟 最高达 40MHz 并可将内部时钟输出到片 外 时钟模块电路如图 4 所示 其中 电容 C3 和 C4 的必须为无极性电容 在 不同的振荡器频率下 C3 C4 R1 的取值不同 图 4 锁相环时钟模块 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 PLLF1 与 PLLF2 之间 来抑制信号抖动和干扰 外部时钟信号经 PLL 倍频后形成 DSP 芯片的工作时钟源 LF2407A 的时钟域有两种 1 CPU 时钟 它是大部分 CPU 内部逻辑电路使用的时钟 它是外部时钟 信 号经 PLL 倍频而形成的 倍频系数由系统控制寄存器 SCSR1 设定 复位后默 认值是 0 5 倍频 2 系统时钟 它主要有外设时钟和 CPU 中断时钟 其中外设时钟主要为 片 内外设 如 ADC SCI 等 服务 能各自设置 来源于 CPU 时钟的输出 CLKOUT 而 CPU 中断时钟是为中断过程服务的 用于看门狗 Watch Dog 电路的时钟 WDCLK 也是来源于 CLKOUT 时钟 5 1 5 复位电路 LF2407A 有两种复位源 外部复位引脚复位和看门狗复位 外部复位引脚 RS 133 是一个 I O 脚 正常状态通过上拉电阻接电源 当有内部复位事件发 生时 该引脚被驱动为低电平输出方式 给系统中其它芯片提供复位信号 当 有外部复位事件发生 手动复位 上电复位 欠电压复位等 时 该引脚为输 入方式 同时将复位中断向量 0000H 加载到程序计数器 PC 中 使程序重新开 始执行 所谓看门狗 其实是一个定时器电路 该定时器的特点是 只要该电路被 使 能 它就会自动不停地计数 因此必须在规定时间内将其复位 使之重新从零 开 始计数 否则定时器满而上溢 就会产生系统复位中断 这样 在正常情况下 程序应在规定时间内 在不同的地方不断地将看门狗的计时器复位清零 定时 器 就不会因上溢而发出复位信号 当程序跑飞或者死机时 看门狗定时器得不到 复 位 就会产生上溢从而复位系统 将系统从混乱状态拉回到复位状态 系统重 新 开始运行 因此看门狗电路提高了系统的可靠性和完整性 TL7705A 具有处理上电复位 欠电压检测复位 手动复位的功能 本系统 用它来实现外部复位信号管理功能 其复位信号输出引脚与 DSP 的复位引脚 RS 相连 电路如图 5 所示 在系统运行时 有可能发生干扰和被干扰 严重时 甚至会出现死机现象 这时 利用硬件解决问题将显得十分方便 图 5 复位电路 而看门狗总是被使能的 它的操作不依赖于 CPU 不需要任何初始化 因 此为了避免过早发生复位 看门狗的设置应在上电时开始 如果不想使用看门 功 能则可采用两种方法禁止它 一是在器件复位期间给 Vcpp 引脚提供 5V 电压 二是设置看门狗控制寄存器 WDCR 中的位 WDDIS 1 5 1 6 片外存储器 LF2407A DSP 采用独立的数据存储器 程序存储器和 I O 空间 即他们可 以有相同的地址 而它们的访问通过控制线来区分 LF2407A DSP 有 64K 的 16 位数据存储器空间 低半部分的 32K 字内部存储器地址空间 即 0000h 7FFFh 的分配主要有如下几种情况 一部分保留用作测试 一部分用户不可访 问 如果用户非法访问这些地址会产生 NMI 不可屏蔽中断 一部分被 RAM 占 用 一部分映射给多种寄存器 其它 如密码或外部存储器 另外 地址范围 是 8000h FFFFh 的高半部分 32K 字留给外部数据存储器空间 LF2407A 可以访问的程序存储空间为 64K 字 根据 MP MC 引脚的电平决 定配置方式 当 MP MC 引脚为低电平时 片内 Flash 存储空间使能 地址范围 是 0000h 7FFFh 8000h FFFFh 的地址留给外部程序存储器 是为微控制器方式 当 MP MC 为高电平时 片内 Flash 被禁止 64K 字存储空间全部位于外部程序 存储器中 即只能从片外存储器中读取数据 是为微处理器方式 TI 公司的存储器如此设置给用户提供了很大的灵活性 当用户在程序调试 阶段时 需经常修改程序 一般应配外部 RAM 作为程序存储器 以节省开发 时间 写 Flash 较慢 并防止片内 Flash 过度擦写 此时应先设置 DSP 处于微 处理器方式下运行 可通过 MP MC 引脚拉高实现 或者在仿真环境下通过 gel 语句实现 当程序不需要修改时 则可将其烧写在 Flash 中 然后让 DSP 工作 在微控制器方式下 而且 作为机器人的控制系统 DSP 的 RAM 是不能够满足工作需求的 而掩膜 ROM 需要由用户将程序代码提交 TI 来完成 因此 需要给 TMS320LF2407A 外围电路接入一片 RAM 作为它的外扩数据存储器和程序存 储器 可采取如图 6 的方式连接 图 6 片外存储器的连接 其中 CY7C1021 是高速的 64K 字 3 3V 的 RAM 芯片 此种连接 是将其 64K 字的低 32K 字作程序空间 而高 32K 字作数据空间 上电后 芯片处于微 控制器方式下工作 在下载调试程序前设置系统配置寄存器 2 SCSR2 地址 7019h 的 MP MC 位使之工作在微处理器方式下 这样做的好处是 当程序调 试好后要将程序烧写至 DSP 片内 Flash 中 使之处于微控制器方式下时 不必 改动电路 5 2 电机驱动模块 5 2 1 直流电机的控制原理 直流电机是最早出现的电机 也是最早能实现调速的电机 长期以来 直 流 电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位 由于它具有良好的线性调速 特 性 简单的控制性能 高质高效平滑运转的特性 尽管近年来不断受到其它电 机 如交流变频电机 步进电机等 的挑战 但到目前为止 就其性能来说仍然 无 其它电机能比 根据图 7 直流电机的等效电路 可以得到直流电机的数学模型 图 7 直流电机等效电路 电压方程为 式中 Ua 电枢电压 Ia 电枢电流 Ra 电枢电路总电阻 Ea 感应电动势 La 电枢电压总电感 其中感应电动势为 Ea Ke n 3 2 式中 Ke 感应电动势计算常数 每极磁通 n 电机转速 将 3 2 代入 3 1 可得 由式 3 3 可得 直流电机的转速控制方法可分为两类 对励磁磁通 进行控制的励磁控制法和对电枢电压 Ua 进行控制的电枢电压控制法 励磁控制法是在电机的电枢电压保持不变时 通过调整励磁电流来改变励 磁 磁通 从而实现调速的 这种调速方法的调速范围小 在低速时受磁极饱和的 限 制 在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制 并且励磁线圈电感较大 动 态响应较差 所以这种控制方法用的很少 电枢电压控制法是在保持励磁磁通 不变的情况下 通过调整电枢电压来实现调速的 在调速时 保持电枢电流不 变 即保持电机的输出转矩不变 可以得到具有恒转矩特性的大的调速范围 因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法 5 2 2 PWM 调速原理 对电机的驱动离不开半导体功率器件 在对直流电机电枢电压的控制和驱 动 中 对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式 线性放大驱动和开关驱动 方 式 绝大多数直流电机采用开关驱动方式 开关驱动方式是使半导体功率器件 工 作在开关状态 最常用的一种方法就是通过脉宽调制 PWM 来控制电机电枢 电压 将数字量调制成满足控制策略的各种波形 最后施加到被控对象上 实 现调速 调制技术的核心就是产生周期不变但脉宽可变的信号 周期不变意味 着以同样的调制频率工作 脉宽可变意味着可以得到不同的波形 图 8 是利用开关管对直流电机进行 PWM 调速控制的原理图 当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时 开关管道通 直流电机电枢绕组两端的电压 Us t1 时间后 栅极输入变为低电平 开关管截止 电机电枢两端电压为零 t2 时 间后 栅极输入重新变为高电平 开关管的动作重复前面的过程 这样 对应 着输入的电平高低 直流电机电枢绕组两端的电压平均值 Ua 为 式中 为占空比 占空比 表示了在一个周期 T 里 开关管道通的时 间长短与周期的比值 的变化范围为 0 1 由式 3 4 可知 当电源 电压 Us 不变的情况下 电枢的端电压的平均值 Ua 取决于占空比 的大小 改变 值就可以改变端电压的平均值 从而达到调速的目的 这就是 PWM 调 速原理 图 8 PWM 调速控制原理图 5 3 速度检测模块 精确的电机控制是机器人完成特定任务的基础 湖面清扫智能机器人共需 要 3 个电机 其中 一个电机控制机器人的垃圾收集装置 另外两个电机控制 机器人的前进速度 要想保证机器人良好的运动性能 一定要对控制速度的左 右电机进行协调 所以电机速度的检测十分重要 TMS320LF2407A 内置正交编码脉冲电路 QEP 可自动识别由外部引脚 上 输入的正交编码脉冲的方向 正交编码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得 旋 转机械的位置 速度等信息 记录脉冲的个数 这为机器人的运动控制提供了 方便 正交编码脉冲电路的输入引脚 CAP1 QEP1 和 CAP2 QEP2 对于 EVA 模块 或 CAP4 QEP3 和 CAP5 QEP4 对于 EVB 模块 与捕获单元 1 2 和单元 4 5 的输入引脚复用 当使能了正交编码脉冲电路时 相应引脚上的捕获功能将被 禁止 正交编码脉冲电路会对引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数 正交编 码脉冲是两个频率变化且正交 即相位相差 90 度 的脉冲 正交编码脉冲电路 的方向检测逻辑测定哪个脉冲序列的相位领先 然后产生一个方向信号作为选 定定时器的方向输入 具体如图 9 所示 如果 CAP1 QEP1 输入为相位领先的 脉冲序列 则选定的定时器递增计数 如果 CAP2 QEP2 输入为相位领先的脉 冲序列 则选定的定时器递减计数 两个正交编码输入脉冲的两个沿均被计数 因此送到定时器的时钟频率是每个输入序列频率的四倍 这个产生的时钟与选 定的定时器的时钟输入端相连 这样 将正交编码脉冲电路与外部的编码器相 连 就可以方便地获得电机旋转的速度大小和方向信息 为测试和控制提供了 有利条件 图 9 正交编码脉冲解码和计数方向 正交编码脉冲电路的具体使用步骤如下 1 选择时基 正交编码脉冲电路的时基可由通用定时器 2 4 提供 通用定时 器必须设置成定向增 减计数模式 并以正交编码脉冲电路作为时钟源 2 将光电编码器的两路脉冲信号接至输入引脚 CAP1 QEP1 和 CAP2 QEP2 或 CAP4 QEP3 和 CAP5 QEP4 上 接着它就产生方向信号作为通用定时器 2 4 的 计数方向输入 3 这样一来 通用定时控制寄存器 GPTCONA B 的 TxSTAT 位反映了正交光 电编码器脉冲信号的方向 计数寄存器 T2CNT 和 T4CNT 的值反映了正交光电 编码器对应的位置和速度 用正交编码脉冲电路作为时钟输入的通用定时器的 周期 下溢 上溢和比较中断标志将产生于各自的匹配发生时 如果中断没有 被屏蔽 则将产生外设中断请求信号 5 4 串行通信模块 TMS320LF2407A DSP 片内集成有异步串行通信接口 SCI 模块 支持 DSP 与其它使用标准格式的异步外设之间的串行通信 本文利用语音模块电路板上 的 串行口与 DSP 进行通信 实现机器人的语音控制功能 SCI 模块的主要特征如下 1 两个 I O 引脚 SCIRXD SCI 的数据接收引脚 SCITXD SCI 的数据发送引脚 不使用 SCI 时 这两个引脚可作通用 I O 引脚 2 可对一个 16 位波特率选择器进行编程 从而获得 64K 种不同的波特率 在 40MHz 的 CPU 时钟下 波特率的范围为 76b s 2500kb s 3 数据位的长度为 1 位 8 位 可编程设定 4 发送和接收都具有缓冲功能 5 发送和接收都可工作在查询或中断方式下 具有下述标志位 发送器 TXRDY 发送准备好 即发送缓冲器准备接收另一来自本机 CPU 送出的字符 TX EMPTY 发送移位寄存器空 接收器 RXRDY 接收缓冲器准备接收另一字符 BRKDT 间接错误 RX ERROR 接收错误标志 6 发送器和接收器都具有独立的中断使能位 上述的五个标志中 除 TX EMPTY 外都能产生中断申请 7 接收错误中断 可由多个错误条件产生 发送器及其相关的寄存器主要完成将并行数据串行发出的功能 接收器及其 相关的寄存器的主要作用是将接收到的串行数据转换成字节形式 发送器和接 收 器可以独立或同时工作 清扫机器人的控制系统主要使用 SCI 的接收功能 SCI 的接收器内部时钟频率是异步通信时钟频率的 8 倍 即异步通信的每一位 都占 8 个 SCI 内部周期 如图 10 所示 图 10 异步通信的数据格式 SCI 内部时钟连续地对 SCIRXD 数据引脚进行检测 当连续四个内部周期 检测到低电平时 SCI 即认为数据线上出现了起始位 在此后再过四个周期就 认为是数据位的开始 在每个预期的数据位中的第 4 5 6 个脉冲的下降沿采 样数据线 并按多数表决的原则来确定该位的状态 即三次采样中如果有两次 采到高 低 电平 即认为此数据位为 1 0 这样比一次采样更合理 有利 于抗干扰 图 11 是 TMS320LF2407A 串行通信接口电路 该电路采用了符合 RS 232 标准 的驱动芯片 MAX232 进行串行通信 图 11 TMS320LF2407A 与 MAX232 接口电路 5 5 ADC 模块 LF2407A DSP 具有一个 16 位的数模转换 ADC 模块 能达到 500ns 以 内的转换速度 可以直接用于电机或运动控制场合 机器人的电池电压通过 ADC 转换成数字信号 当电池电压低于警戒值时 发出电池能量不足的警告信 息 ADC 模块具有自动排序功能 一次转换操作可以处理多达 16 个的 自动 转换 每个转换操作可通过编程来选择 16 个输入通道中的一个 两个独立的 8 状态排序器 SEQ1 和 SEQ2 可以独立工作在双排序器模式 或者级联成 16 状态排序模式 SEQ 本系统采用的是双排序模式 扩展通道 0 DSP 能接受 的 A D 信号在 0 3 3V 本系统直接使用的系统的 3 3V 在输入 DSP 之前 为 了维持信号源输入阻抗的匹配 在模拟量和 DSP 输入管脚之间加了一个跟随器 来增大阻抗 跟随器采用芯片 LM358 如图 12 所示 AD SIG0 表示的是电池 的实际电压值 ADCIN0 为 DSP 相应引脚 图 12 A D 调理电路 5 6 传感器简介 无感知能力的机器人操作程序是预先制定的 并按照预定程序重复无误地 完 成确定的任务 它们缺乏适应性 而许多机器人的应用需要感知 根据感知的 信 息改进计算机的控制 1 红外接近觉传感器 红外接近觉传感器是移动机器人最常用的避障传感器之一 这种传感器能 够 检测出障碍物的存在以及其它潜在危险 红外接近觉传感器由发送器和接收器 两 部分组成 每部分都有一定的有限视场 传感器只能检测到那些位于发送器视 场 和接收器视场的交叉区域内的障碍物 因此 单个的红外接近觉传感器不可避 免 地存在多个盲区 采用多个红外发送器和接收器可以减少盲区的数量 由于发 送 器和接收器的价格非常低 因此采用多套红外接近觉传感器是完全可行的 考 虑到湖面机器人的障碍物比较单一 本系统采用两套红外接近觉传感器 2 光束中断传感器 光电式传感器非接触地探测物体 广泛用于许多自动化领域 光束中断传 感器的发射器和接收器分别安装在不同的盒子中 当光束被中断时 输出开关 信号 因为垃圾漂浮在水面 所以机器人垃圾仓口的上半部露出水面 下半部 则在水面之下以便收集垃圾 光束中断传感器被安放在垃圾仓靠近底部的位置 由于垃圾上浮 因此当垃圾仓没有满时 垃圾不会触动光束中断传感器 当垃 圾渐渐增多 垃圾仓中的部分垃圾将被新进的垃圾挤到垃圾仓下部以致触动光 束中断传感器 从而发送垃圾仓满信号 机器人控制系统的电池电压测量没有 单独使用传感器 而是通过 DSP 的 ADC 模块实现的 机器人的电池电压通过 ADC 转换成数字信号 当电池电压低于警戒值时 发出电池能量不足的信息 5 7 硬件设计中需要注意的问题 1 DSP 系统未用引脚的处理 DS