基于DSP的四足機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 玉，李聲晉，盧 剛

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

目前，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多［1］。四足機(jī)器人作為移動機(jī)器人的一種，自由度多，運(yùn)動靈活，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，在星球探測、軍事偵察以及災(zāi)后搜救等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，越來越受到各國研究者的關(guān)注。

本文以實(shí)驗(yàn)室自行研制的四足機(jī)器人為對象，對四足機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的合理性與有效性。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文使用的四足機(jī)器人以狗為仿生對象，對狗的骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡化，整體關(guān)節(jié)分布如圖1所示。三相無刷直流電動機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)，采用仿生CPG控制算法作為四足機(jī)器人的運(yùn)動控制算法。

圖1 四足機(jī)器人關(guān)節(jié)分布圖

1.1 控制方式

由于四足機(jī)器人控制系統(tǒng)要執(zhí)行大量計(jì)算協(xié)調(diào)多關(guān)節(jié)的運(yùn)動，并同時(shí)控制12個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)動作，還要具備一定的擴(kuò)展性，因此決定采用多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式。控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2中，PC機(jī)處于最高層，用來完成機(jī)器人的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，確定機(jī)器人的行走路徑;主控制器處于中層，接收PC機(jī)的指令，并將指令轉(zhuǎn)化成多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)步態(tài)，分解為關(guān)節(jié)信息并發(fā)送給各個關(guān)節(jié)控制器;關(guān)節(jié)控制器處于控制的最底層，接收主控制器的關(guān)節(jié)信息，完成對關(guān)節(jié)的驅(qū)動控制。

本文主要介紹主控制器和關(guān)節(jié)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。

1.2 通信方式

機(jī)器人控制系統(tǒng)主控制器與PC機(jī)之間的通信采用無線方式，這樣避免了通信雙方之間的線纜連接，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。

主控制器與關(guān)節(jié)控制器之間的通信屬于多點(diǎn)通信，通信距離在60 cm左右，要求可靠性高，實(shí)時(shí)傳輸。CAN總線可以滿足這些要求，而且接口電路在DSP、單片機(jī)上容易實(shí)現(xiàn)，開發(fā)比較方便，因此選用CAN總線作為電控系統(tǒng)主控制器和關(guān)節(jié)控制器之間的通信總線。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器硬件設(shè)計(jì)

主控制器硬件電路由主控芯片及其外圍接口電路、傳感器檢測電路、無線通訊電路、CAN總線通訊電路和串口通訊電路組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 主控器組成框圖

考慮到設(shè)計(jì)要求和開發(fā)的難易程度，主控芯片采用微星公司的dsPIC30F6014A。該控制器集成了高性能的運(yùn)算單元、大容量的片上存儲器和豐富的外設(shè)電路，可以提供高運(yùn)算速度、精度和強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，完全滿足本控制系統(tǒng)的使用要求。

無線收發(fā)芯片采用Integration公司的IA4421。IA4421成本低、集成度高、調(diào)試簡單，包括RF部分、基帶放大過濾部分、數(shù)據(jù)處理單元和片上控制器。片上控制器通過SPI接口與外部通信，控制無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

傳感器選用ADI公司的單軸角速度傳感器ADXRS300和雙軸加速度傳感器ADXL210E。將角速度傳感檢測電路和加速度傳感檢測電路分別做成容易安裝在機(jī)體上的小電路板，然后將兩個加速度檢測板分別安裝在與機(jī)體平面平行和垂直的兩個平面上，三個角速度檢測板安裝在三個相互垂直的平面上，組成機(jī)體的位姿檢測平臺。

CAN總線通訊電路中，dsPIC30F6014A片上帶有兩個CAN模塊，因此通過外擴(kuò)CAN控制器和CAN收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)多個CAN接口。CAN控制器采用微星公司的MCP2510，使用SPI接口可以外擴(kuò)4路MCP2510來實(shí)現(xiàn)4個CAN接口。CAN收發(fā)器選擇比較常用的PCA82C250。串行通信電路中，主控制器端采用RS485串行通信接口，外接RS485收發(fā)器SP491E，然后通過RS485－RS232轉(zhuǎn)換器連接到PC機(jī)的串口。

2.2 關(guān)節(jié)控制器硬件設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)控制器硬件電路主要由電源模塊、CPU模塊、驅(qū)動模塊、功率變換模塊、檢測模塊和通訊模塊組成。控制器原理框圖如圖4所示。

蓄電池提供的電壓為24 V，控制器的各個部分所需要的用電電壓不同，可分為三組:功率模塊為24 V，驅(qū)動模塊為15 V，CPU及其外圍電路需要5 V供電。分別使用線性穩(wěn)壓器7815和7805，得到15 V和5 V電壓。

圖4 關(guān)節(jié)控制器原理框圖

CPU選用微星公司的16位高性能控制器dsPIC30F4012，它是專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微處理器，集成了多種功能模塊，其中包括一個6通道的電機(jī)專用MCPWM控制器，通過編程可產(chǎn)生互補(bǔ)的三相6路PWM波形，大大簡化了產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外部硬件。同時(shí)，還可以通過編程設(shè)置死區(qū)時(shí)間防止同一橋臂上下兩個功率管發(fā)生直通造成短路。

驅(qū)動芯片采用美國國際整流器公司的多路驅(qū)動芯片IR2130，一個IR2130可驅(qū)動三相橋式電路的六個功率開關(guān)器件，內(nèi)部設(shè)計(jì)有過電流、過電壓及欠電壓保護(hù)，輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動電流為500 mA，耐壓600 V，滿足系統(tǒng)的需要。其外圍電路主要包括驅(qū)動連接電路和高壓側(cè)的自舉電路。

功率變換電路采用三相全橋方式，功率器件選用N溝道的MOSFET IRF540，開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小，額定電流為40 A，耐壓為100 V，導(dǎo)通電阻只有44 mΩ，工作結(jié)溫范圍為－55℃ ～175℃，滿足系統(tǒng)的使用要求。

針對過電流設(shè)計(jì)了故障保護(hù)電路，采用漏源極電壓探測的方式對三個下管進(jìn)行檢測。將探測電壓與參考電壓進(jìn)行比較，比較輸出信號接入IR2130的ITRIP引腳(高電平有效)。當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，ITRIP引腳被置高，IR2130封鎖PWM輸入信號，輸出全為低電平，保證6個功率管全部關(guān)斷。

角位移傳感器用于測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，選用了導(dǎo)電塑料電位計(jì)WDY－35D4－619，線性度0.1%，有效角度范圍0°～345°。

3 軟件設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控制器和關(guān)節(jié)控制器的軟件設(shè)計(jì)。采用模塊化編程方法，可將控制軟件分成多個獨(dú)立的功能模塊，軟件模塊框圖如圖5中所示。

3.1 主控制器軟件設(shè)計(jì)

主控制器的功能主要包括:進(jìn)行CPG算法迭代計(jì)算，將計(jì)算得到的各關(guān)節(jié)指令發(fā)送給各關(guān)節(jié)控制器，同時(shí)接收各關(guān)節(jié)控制器的反饋信息;采集位姿傳感器的輸出，通過無線通訊方式發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)解包接收的上位機(jī)指令，其主程序流程圖如圖6所示。

圖5 軟件模塊框圖

圖6 主程序流程圖

3.2 關(guān)節(jié)控制器軟件設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制器的功能主要包括:接收到主控制器的位置指令后，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，利用積分分離PID控制算法對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角進(jìn)行閉環(huán)控制，定時(shí)讀取關(guān)節(jié)角度信息，通過CAN總線將關(guān)節(jié)角度信息回送給主控制器。

關(guān)節(jié)控制器主程序流程圖如圖7a所示，PID計(jì)算子程序流程圖如圖7b所示。

圖7 關(guān)節(jié)控制器主程序流程圖

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 單關(guān)節(jié)驅(qū)動實(shí)驗(yàn)

關(guān)節(jié)用無刷直流電動機(jī)參數(shù):24 V供電，額定功率52 W，額定電流2.55 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩 0.16 N·m。

實(shí)驗(yàn)測得dsPIC30F4012輸出PWM的死區(qū)時(shí)間值為500 ns，如圖8a所示，與設(shè)定值相符，該死區(qū)時(shí)間可在軟件中進(jìn)行修改。電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)三路PWM輸出和電機(jī)某一線電動勢波形如圖8b所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，關(guān)節(jié)控制器可以對關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的控制。

圖8 PWM死區(qū)時(shí)間與驅(qū)動信號波形圖

4.2 步行實(shí)驗(yàn)

圖9 實(shí)地步行試驗(yàn)圖

機(jī)器人樣機(jī)長75 cm、寬 50 cm、高 50 cm，重 14 kg，分別讓機(jī)器人進(jìn)行了行走、小跑、溜步、奔跑步態(tài)的實(shí)驗(yàn)。圖9為實(shí)地步行試驗(yàn)圖。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)器人處于行走步態(tài)時(shí)，同一時(shí)刻只有一條腿處于擺動相，重心變化范圍小，通過補(bǔ)償關(guān)節(jié)角，步行動作可持續(xù)進(jìn)行。處于其他步態(tài)如小跑、溜步、奔跑時(shí)，重心變化范圍較大，關(guān)節(jié)角不能及時(shí)響應(yīng)到達(dá)，容易造成跌絆和摔倒。為了提高機(jī)器人的行走速度，應(yīng)該再對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用性能更好的驅(qū)動器。

5 結(jié) 語

采用dsPIC30F6014A和dsPIC30F4012芯片設(shè)計(jì)了以狗為仿生對象的四足機(jī)器人電控系統(tǒng)，充分利用了芯片的高效運(yùn)算處理能力和豐富的片內(nèi)資源，使得系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)更為簡單可靠，軟件設(shè)計(jì)也易于實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能夠?qū)λ淖銠C(jī)器人在四種步態(tài)下的行為進(jìn)行有效控制，并具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，基本滿足自主移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的要求。

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［2]陳學(xué)東，孫翊，賈文川.多足步行機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與控制［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2006.

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