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傳統的機器人運動(dòng)控制器大部分是以嵌入式單片機為核心的,但其運算速度和處理能力遠不能滿(mǎn)足機器人控制系統飛速發(fā)展的需要,日益成為阻礙機器人技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。隨著(zhù)以電子計算機和數字電子技術(shù)為代表的現代高技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是高速度數字信號處理器DSP 的出現,從根本上解決了嵌入式系統運算能力不足的問(wèn)題,并為機器人運動(dòng)控制系統的改進(jìn)提供了新的途徑。該文正是從這一點(diǎn)出發(fā), 選用控制能力很強的DSP芯片TMS320LF2407A作為機器人運動(dòng)控制器的主處理器,設計出一種高性能機器人運動(dòng)控制器,顯著(zhù)地提高了整個(gè)機器人的運動(dòng)性能。 1 控制系統結構 機器人的各種運動(dòng)由各個(gè)關(guān)節軸系完成,機器人控制本質(zhì)上是對各關(guān)節軸系的控制。每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度,可以完成某一方向的轉動(dòng)任務(wù),所有軸系同時(shí)協(xié)調運動(dòng)就可以完成相對復雜的動(dòng)作。國防科技大學(xué)機電工程與自動(dòng)化學(xué)院機器人教研室最新研制的仿人步行機器人,其內部各關(guān)節結構如圖1所示。 圖1 機器人內部結構示意圖 此機器人共有36 個(gè)自由度,分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節。所有軸系均由PWM 脈沖信號驅動(dòng)控制,運動(dòng)控制系統的任務(wù)就是對這些關(guān)節軸系進(jìn)行控制,具體由各底層控制器實(shí)現。整個(gè)控制系統采用分布式控制,在結構上可分為3 個(gè)層次,如圖2 所示。 圖2 運動(dòng)控制系統結構框圖 1.1 主控計算機模塊 主控計算機就是控制系統的“大腦”和司令部,負責整個(gè)系統的在線(xiàn)運動(dòng)規劃、動(dòng)作及運動(dòng)控制、語(yǔ)音交互控制、視覺(jué)導引控制以及人機交互等功能。主控計算機要求體積小,運算速度快,滿(mǎn)足機器人實(shí)時(shí)控制的要求,通常采用高性能小板工業(yè)控制計算機。它通過(guò)CAN 總線(xiàn)接口卡連接到通信總線(xiàn)上,與各底層控制器相連并交互信息。 1.2 通信模塊 機器人控制的信息量大,對通信方面的要求很高,要保證各種信息在控制系統中及時(shí)準確的傳輸,通信工具的選擇十分重要,該文選用當前流行的CAN 總線(xiàn)作為通信標準。CAN (Controller Area Net-work) 總線(xiàn)是應用最為廣泛的一種現場(chǎng)總線(xiàn),也是目前為止惟一有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。相對于一般通信總線(xiàn),它的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性,可以滿(mǎn)足文中的設計要求。具體連接方式為:主控計算機通過(guò)CAN 總線(xiàn)接口卡連接到總線(xiàn)上,各底層控制器通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)器掛接到總線(xiàn)上。只要所有器件都遵守相同的通信協(xié)議,就可以穩定可靠的進(jìn)行信息傳輸。 1.3 底層控制器模塊 控制器處于整個(gè)控制系統的最底層,主要用來(lái)控制各運動(dòng)關(guān)節軸系的具體執行過(guò)程�？刂破鹘邮罩骺赜嬎銠C的控制命令對各關(guān)節執行軸系進(jìn)行控制,同時(shí)把底層信息反饋給主控計算機,實(shí)現大回路反饋,便于主控計算機協(xié)調規劃,統一管理�？刂破魇钦麄�(gè)控制系統的核心,也是該文研究的重點(diǎn),它的性能直接關(guān)系到機器人運動(dòng)能力。 2 控制器詳細設計 基于DSP 的控制器具體結構如圖3 所示。整個(gè)控制器根據結構和功能可分為3 部分:主處理器與外圍器件單元、反饋與執行單元、通信單元,各部分如圖3 中虛線(xiàn)所示。 圖3 DSP 控制器結構 2.1 主處理器與外圍器件單元 DSP主處理器是整個(gè)控制器的核心,其運算速度、對信息的處理能力等直接影響控制器的性能。選用TI 公司的TMS320LF2407A 芯片,它是TI 家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品,集實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設于一身,非常適用于工業(yè)控制。其主要特點(diǎn)有: a.3.3 V電壓,功耗極低,且具有3 種低功耗模式。 b.內部采用哈佛結構體系,程序與數據存儲器分開(kāi),專(zhuān)用的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),取指和執行可同時(shí)進(jìn)行,有效提高了存取速度。 c.流水線(xiàn)指令技術(shù),多條指令可同時(shí)進(jìn)行,平均每條指令大約只需一個(gè)指令周期,大大提高了指令執行速度,指令周期可達ns級,在40MHz 主頻下每條指令只需25ns。 d.專(zhuān)用硬件乘法器,運算速度大大提高,運算能力明顯增強。 e.地址和數據總線(xiàn)都是16位,片內有高達32K的Flash程序存儲器,2.5K字的數據/ 程序RAM,544字雙端口RAM (DARAM) , 2K字的單端口RAM(SARAM) ,外部存儲器可擴展64K字的程序存儲器空間、64K字的數據存儲器空間和64K字的I/O空間。 f.自帶看門(mén)狗定時(shí)器、串行通信接口(SCI) 模塊、16 位串行外設接口( SPI) 模塊、SCI/ SPI 引導ROM、16 通道的10 位ADC 轉換器、5 個(gè)外部中斷、基于鎖相環(huán)(PLL) 的時(shí)鐘發(fā)生器、41個(gè)可單獨編程或復用的通用輸入/ 輸出(GPIO) 引腳。 g.2 個(gè)事件管理器模塊,每個(gè)事件管理器包括2個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位脈寬調制(PWM) 通道、可編程的PWM 死區控制、3個(gè)外部事件定時(shí)捕獲單元、片內光電編碼器接口電路。 h.內部帶有CAN2.0B 控制器模塊。 可以看出,TMS320LF2407A 的功能十分強大,其本身就是一個(gè)獨立的小型控制系統,再加以適當的外圍器件,就可以實(shí)現更加復雜的控制功能。尤其是它的兩個(gè)事件管理器的功能非常強大,完全是為電機控制設計的。 TMS320LF2407A 通過(guò)位置傳感器實(shí)時(shí)監控各關(guān)節軸系的運行情況,并通過(guò)總線(xiàn)與主控計算機交互信息。利用其多個(gè)PWM 脈沖通道直接產(chǎn)生控制軸系需要的PWM 脈沖信號;其CAN總線(xiàn)控制器模塊可以直接與主控計算機進(jìn)行通信而不需要增加CAN 總線(xiàn)控制器。 TMS320LF2407A 的軟件開(kāi)發(fā)也十分容易,可以反復編程。只要在其專(zhuān)用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio) 中編譯好程序,用一根下載線(xiàn)通過(guò)標準的JTAG接口就可以把程序燒錄到DSP 的程序存儲器中,還可以在線(xiàn)修改和調試。整個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單方便,只需一根下載線(xiàn)就可完成,大大簡(jiǎn)化了軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程,明顯提高了開(kāi)發(fā)效率。同時(shí)外部看門(mén)狗電路孩可以對控制器電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監控,當電壓出現異常迅速復位主處理器。外部存儲器中存放控制算法所需的必要參數,通過(guò)SPI 串行外設接口與TMS320LF2407A 相連。 2.2 反饋與執行單元 光電碼盤(pán)傳感器把軸系的位置信息轉換成兩路寬度相同但相位相差90°的脈沖信號,脈沖的數目與軸系的轉角成正比,相位差的符號代表了軸系轉動(dòng)的方向。因此,通過(guò)對兩路脈沖進(jìn)行計數就可以得到軸系的實(shí)際位置。脈沖信號經(jīng)過(guò)光電隔離器件隔離后送入專(zhuān)用脈沖計數器,計數后的信息送入DSP主處理器。 這里沒(méi)有使用DSP 進(jìn)行計數,一是為了節省DSP 的資源,使其可以把更多的時(shí)間用于計算和其他控制中去;二是可以提高控制器的靈活性,不用對主處理器進(jìn)行改動(dòng)就可以改變控制軸系的數目。脈沖計數器選用流行的CPLD 器件,其強大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助,同時(shí)還可以作為譯碼電路的一部分為主處理器提供譯碼信號。主處理器對接收的軸系位置信息進(jìn)行計算和分析,結合新的控制命令產(chǎn)生相應的PWM 脈沖控制信號,經(jīng)過(guò)光電隔離和功率放大后送給執行軸系控制軸系的運行。 2.3 通信單元 主處理器通過(guò)CAN總線(xiàn)與主控計算機進(jìn)行通信,接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機, 實(shí)現更高一級的反饋控制。DSP 通過(guò)CAN總線(xiàn)接收器連接到總線(xiàn)上,為提高抗干擾能力,中間需要進(jìn)行光電隔離。整個(gè)控制器的結構并不復雜,硬件實(shí)現也很簡(jiǎn)單,但功能十分強大。每個(gè)控制器可以同時(shí)控制6～12個(gè)軸系,可以根據實(shí)際情況進(jìn)行調節。 3 控制流程與分析 整個(gè)控制系統的工作過(guò)程如圖4 所示。 圖4 控制系統流程 具體流程為:主控計算機離線(xiàn)規劃好數據,系統開(kāi)始運行并完成初始化工作;主控計算機向底層控制器發(fā)送控制命令,同時(shí)底層控制器對各執行軸系進(jìn)行位置采樣,并把兩者結合在一起進(jìn)行分析,通過(guò)特定的控制算法生成相應的PWM 控制信號,經(jīng)功率放大后送執行軸系,同時(shí)把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機,主控計算機根據新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器,如此反復。 期間還要不斷查詢(xún)是否有中斷產(chǎn)生,如果有中斷則轉而執行相應的中斷服務(wù)子程序,主要是用來(lái)處理一些異常情況;若有結束命令產(chǎn)生則結束整個(gè)運動(dòng)過(guò)程。這事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過(guò)程,底層控制器通過(guò)傳感器與各關(guān)節軸系之間進(jìn)行小循環(huán)反饋,主控計算機通過(guò)各控制器與各關(guān)節軸系之間進(jìn)行大回路反饋,這樣可以使機器人具有更多的“智能”,更好的進(jìn)行離線(xiàn)實(shí)時(shí)控制,這也是機器人朝智能化方向發(fā)展的一條重要途徑。 4 結 論 文中設計的控制器,采用DSP作為主處理器,較傳統的單片機性能有了顯著(zhù)提高,運算速度明顯增強,控制能力得到大幅度提升,從根本上解決了使用單片機所帶來(lái)的各種問(wèn)題,并為機器人控制系統的發(fā)展和提升找到了一個(gè)新的方向。同時(shí)也希望能對研究機器人的同行們有一定啟示,在此基礎上研制出性能更高的產(chǎn)品,為推動(dòng)我國機器人事業(yè)的前進(jìn)做出更大的貢獻。 |
