nbhkdz.com冰点文库

(好)履带式移动机器人运动控制系统设计

时间:2011-06-04


南京理工大学 硕士学位论文 履带式移动机器人运动控制系统设计 姓名:完诚 申请学位级别:硕士 专业:控制理论与控制工程 指导教师:李胜 20100620

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计





履带式移动机器人有着特殊的机械结构,具有更大的作用面,可以适应各种复杂多 样的路面,也可以在恶劣环境下或野外作业,尤其是在越野、爬坡、爬楼梯能力方面, 履带式移动机器人要比其他移动机器人更胜一筹。 本文以~款履带式移动机器人产品研制为背景,设计并实现了以TMS320F2812 DSP处理器为核心的履带式移动机器人运动控制系统,并通过对履带式移动机器人运动 学模型的研究为进一步增强机器人的自主性能提供理论基础。论文的主要内容与研究成 果包括以下几个部分: 首先,结合设计要求,给出了基于TMS320F2812 DSP处理器的履带式移动机器人 运动控制系统总体设计方案,对其中车体和云台两大控制单元的驱动器、执行机构以及 传感器的选型进行了分析和说明,并根据系统性能指标,对电机和驱动器进行了参数核 算。 其次,采用模块化的设计思想设计了履带式移动机器人运动控制系统的硬件部分, 给出了中央处理模块、驱动模块、通信模块、换档控制模块、位置检测模块的电路设计 方案,并进行了硬件的调试与分析。利用CCS3.3软件开发了基于CANopen协议的运动 控制软件,并对机器人运动控制系统中车体和云台两大控制单元的软件流程和实现方法 进行了详细说明,并根据性能指标对软件进行了调试与分析。 最后,对基于运动学模型的履带式机器人控制方法进行了研究,建立了履带式机器 人直线行驶的运动学模型,设计了机器人的直线路径跟踪控制器,并通过仿真实验验证 了所设计控制器的有效性,为产品能够在下一步改进中增加机器人的自主性能提供理论
分析基础。

关键词:履带式移动机器人,运动控制系统,运动学,数字信号处理器,CANOpen
协议

Abstract

硕士论文

Abstract
Tracked mobile robot has the special mechanical

structure which has a larger contact

surface

wi廿1 the earth.It

can

adapts

to a variety

of complex

and

diverse road,also
to

call

work

in harsh environments

or

in the field.Tracked mobile robot is superior

other mobile

robots especially in the off-road,climbing,stair climbing ability. It is designed and realized the tracked mobile robot motion control system based
on

TMS320F28 1 2 as the main

control chip in robot product development background.In order

to further enhance the performance of the robot,it is researched kinematic model of mobile
robot.The main content ofthis paper Firstly,it introduces the
on are as

follows:

design

program of tracked mobile robot control system based
on

TMS320F28 1 2 combined、析Ⅱl the design requirements.It made the right selection
sensors

the

robot drives,actuators and motor and drive according

of two control units,also accounted the

parameters

of the

to

the system

performance
and

requirements.

Secondly,the hardware part of tracked mobile robot control system is designed with modular

design

idea.It gave circmt design

conducts



detailed analysis of central

processing module,driver module,communication module,shift control modules and
position detection module

and

gave the hardware debugging
on

and analysis.It

is designed

motion control sottware based

CANopen protocol、加Ⅱl CCS3.3.It also gave the detailed

description to the software process and the implementation method of the two control units,

and

gave software debugging and analysis based

on

performance indicators.
on

At last,it is researched control method of the tracked robot based established


kinematics,

straight-line running kinematics model of tracked mobile robot,designed the

controller of the robot’S linear path tracking and verified the effectiveness of the

designed

controller according to the simulation.It provide theoretical basis to increase the autonomy

of the robot in the

next robot product.

Key word:tracked mobile roboL motion
protocol

control systems,kinematics,DSP,CANOpen

Il

尸 声



本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本 学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。

研究生签名:二鍪型迭

为加年乡月亨日

学位论文使用授权声明

南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密

论文,按保密的有关规定和程序处理。

研究生签名:二毡邀

知7。年易月湘

顾±论文

履带式移动机嚣人运动控割系统设计

1绪论
1.1引言
上个世纪中叶,伴随着控制理论的快速发展,机器人技术得到了迅速发展,并在 一些发达国家,得到了广泛的运用。如今,科学技术在材料、能源、机械制造等领域 的不断发展,使得机器人的功能与性能日益强大,并在工业、国防、宇宙空间、海洋

开发、医疗救助咧等领域得到了广泛应用。其中,移动机器人在机器人领域占据了绝
太多数份额。 移动机器人是一种由机械传动装置、高精度传感器、电机伺服控制器所构成的, 具备环境适应能力、能够便捷操作并具有人工智能的复杂控制系统。移动机器人可队 自行地或通过远程终端移动到目标区域,代替人在危险、恶劣以及人不能及的环境下 工作。在军用上,移动机器人可以完成军情侦察[641、反恐排爆【l”、扫雷防核等危险任 务。在民用上,移动机器人在家庭清洁、医疗救助、货物运输方面越来越受到人们的 关注。更让人们为之振奋的是,2004年,在先后经历了半年多、数亿公里的星际旅行 后,美国火星探测器“勇气”号和“机遇”号这对孪生兄弟终于成功地着陆火星表面, 而作为首位地球使者漫步火星的巡游车,实际上就是两个移动机器人椰J,如图1.1所

醚羹盈豳
图l_1“勇气号”火星车

移动机器人可以分为许多种类:按照活动范围的不同,可以分为海底、陆面、空

中移动机器人;根据运动方式的不同,可以分为轮式、履带式、腿式移动机器人;按
照智能化层次的不同,可分为全自主、半自主和遥控式移动机器人171。不过,隧着科 学技术的发展,再加上人类的创造力,更多更新颖的移动机器人进入人们的视野。 屉带式机器人就是移动机器人中的一种,它有着履带的特殊结构,和地面有着更 大的作用面.可以适应各种复杂多样的路面,也可以在恶劣环境或野外进行作业州。 而在越野、爬坡、爬楼梯[Sl能力方面,履带式机器人要比其他移动机器人更胜~筹,

硕士论文

所以受到更多研究者的青睐。 另外,履带式机器人因其地面适应能力强、控制与制造技术更为成熟,在工业、 军工以及民用领域得到了广泛的应用。相对于腿式机器人、轮式机器人、类人式机器 人而言,履带式机器人的优越性更为显著:它能适合于沙滩、雪地等恶劣环境,越野 机动性能好i有着良好的附着牵引力,可以根据需要爬坡和爬楼梯,有利于笈挥整体 性能;军用I-t84I,可以架构武器平台或机械手.实现反恐【9】、排爆“目、侦查和突击功

能…。 1.2履带式移动机器人的研究现状与应用前景
{遍着移动机器人技术的不断发展,履带式移动机器人在动力、稳定性以及可靠性 等诸多方面都略优于其他移动机器人,并且它能满足一些特殊的性能要求,特别是户 外环境以及恶劣I“’条件(如排雷、排爆、采矿、救灾[ssl、反恐等工作环境)下工作,因 此履带式移动机器人正吸引着越来越多研究者的目光。 1.2.1履带式移动机器人的研究现状 从上世纪80年代起,国外就对履带式移动机器人进行了系统的研究I矧,图1.2为

德国teIerob公司的Teodor排爆机器人【I”,它可以携带爆炸物拆卸器、x光检测仪以
及72xzootll镜头,可用于排爆、核放射及生化场所的检查及清理、处理有毒与有害物 品等。

图1.2

Teodor排爆机器人

其他较为有影响力的是美国的Packbot机器人、talon机器人【40】,如图1.3所示。 另外,英国研制的Supper Wheelbarrow排爆机器人、日本的Helios Vll[231机器人、加 拿大的LMA.1机器人也颇有影响力,如图1.4所示。


硕士论文

履带式移动机器^运动控制系统设计

固1.3

talon机器人

图1



LMA-1机器人

我国自主研制的Climber机器人、四履腿机器人、可重构履腿机器人【74I也表示我 国对履带式移动机器人也取得了一定的成果印l。 目前通过国内外的研究,对履带式移动机器人在机械设计、可靠性分析和控制方 法等方面已经形成了较成熟的理论,应用这些理论将对机器人的性能有所提升。 从机械结构方面来说,单节式双履带式移动机器人由于其结构简单、没有辅助结 构根难实现复原动作,采用双节式四履带式结构可以很好地解决这一难题。而且多节 式履带结构[201,对复杂地面的适应能力更强,机械结构更加多样,若把履带结构中的 主体部分改装为轮式设计,所构成的轮履式复合机器人,综合了履带和轮子的各自特 点,能够茇挥更好的性能mp”。 从稳定性方面来说,主要指机器人在斜坡上能够抗韶、抗滑的静态稳定性以及机 器人在复杂环境下(例如爬坡、越障等)的动态稳定性。降低机器人的重心、增大机器 人两轮之间的轴向距离能增加机器人的平稳度。 从控制方法方面来说,控制策略有多种方法.包括开环控制、位置}ij环反馈控制、 速度闭环反馈控制、电流(力矩)控制、智能控制、最优化控制以及自适应控制Ⅱq。 1.2.2履带式移动机器人运动控制系统关键问题 (1)越障过程中机器人本体侧倾问题 上下楼梯与跨越障碍是履带式移动机器人的基本功能之一,但由于楼梯的多样性 和履带式移动机器人在爬楼梯过程中固有的不稳定性,机器人比较容易偏离操作员给 出的行驶路线。当机器人的行驶方向与楼梯之间的夹角严重偏离90度时,有可能引起 机器人的侧向倾翻。可以在机器人前方添加两个红外测距传感器,保证机嚣人正对楼
梯进口l刈【卅。

(2)越障过程中机器人的冲击与振动问题 虽然履带式机器人相对于轮式移动机器人在结构上更易于跨越障碍,但当机器人 在上下楼梯和翻越台阶时,由于机器人本身具有较大的惯性,导致机器人可能以较大 的速度和冲击力与地面发生碰撞,引起机器人的冲击和振动,甚至有时可能会使机器


1绪论

硕士论文

人向前产生倾翻现象,或者严重损害机器人的驱动装置。 上述这些问题部分可以通过机械设计,改变机器人质量分布,从而降低机器人质 心位置得以克服,部分可以通过操作员根据摄像机或其他方式取得的障碍物的特征不 断进行调整得以弱化,但最终还需要依靠驱动电机的控制来保持机器人在越障过程中 的稳定性。 (3)平地运动时方向保持问题 采用双电机驱动的机器人,由于电机特性和机械传动的差别,即使在相同指令驱 动下的两个电机,驱动轮的输出转速仍有偏差,从而造成两侧履带速度不同,行进方 向发生偏离。除此之外,由于机器人两侧履带与地面之间的摩擦力不同,使得同样的 驱动电压下,机器人两侧履带的滑动速度不一致,当两侧履带接触到不同材质地面时, 此现象尤为明显,从而导致机器人偏离预定行驶方向。为解决上述问题,可以设计一 套适用于履带机器人的双电机驱动控制系统,根据履带式机器人运动学模型和来自两 侧履带驱动电机传感器的速度信息及上位机的给定速度信息,对两侧驱动电机的速度 进行解算,并利用控制算法对不同运动状态下机器人的驱动电机进行控N(41】【46】。 1.2.3履带式移动机器人应用前景 履带式移动机器人适合在自然路面行走,它是在轮式移动机器人上加以改造而成, 履带起到了为车轮连续铺路的作用,它的支撑面大,能适应其他移动机器人所不适应 的松软、泥泞的路面,牵引附着力好,有利于发挥较大的动力。同时,履带式移动机 器人比较容易实现原地转向,不易打滑,有着良好的自复位和越野能力,可以说,未 来无论是在民用和军用领域履带式移动机器人都有着较广阔的应用前景【791。 当然,履带式移动机器人也有着许多有待提升的空间: (1)有些履带式移动机器人体积过于庞大,重量太重,在允许的条件下,应适量 减小机器人的体积和重量。同时考虑机器人的重心,使其爬坡时不易发生侧翻【42】。 (2)对各种路面巡航时的稳定性和可靠性能需要进一步的提高。 (3)控制算法的改进。应当遵守“较简单的控制算法得到比较好的控制效果"这 一原则,在这一方面也要有所提高【74J。 (4)电源问题。目前电池体积大、重量重以及使用温度范围受限,对机器人电源 的提升,可以延长机器人野外活动工作时间。

1.3移动机器人的发展趋势
移动机器人要能在实际中应用,必须拥有稳定的控制系统、可靠的导航系统、灵 敏的感知能力、并具有友好并且安全的与人协调工作的能力。从机器人整个发展历程


硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

来看,移动机器人正向智能化、多功能化的方向发展,就如日本研制的智能仿生机器 人、微型机器人等综合了诸多高新技术。随着电力电子技术、传感器技术、嵌入式技 术等技术的不断发展,移动机器人正逐渐走向人们的生活。目前,移动机器人的研究
趋势主要包括: (1)多机器人协同系统

多机器人协同系统正处于理论研究阶段,不过也是当前机器人学的热点。对于多 机器人协同系统的结构与协作协议、相互通信以及信息滤波也是多机器人协同系统发
展的必然趋势。 (2)人工智能

除了继续研究新的人工智能技术,主要就是在各种技术的综合运用、相互融合的 方向加以研究【6l】,包括智能伺服控制技术、智能机器人行为技术、智能路径规划技术
以及机器人学习机能。 (3)路径规划与定位【18】[221

对于单个移动机器人或者多个移动机器人,定位降61、导航以及路径规划始终是个 研究的热点。在未知活动环境下,通过各类型传感器、电子罗盘以及GPS结合专门数 字信号处理芯片,把路径定位技术和数字图像处理技术有机的结合到移动机器人中,
可以为路径规划与定位提供研究的基础。 (4)环境感知

环境感知表示机器人搜集其环境所需的信息的能力。因为目前制造完全自主的机 器人还是很困难的,因此环境感知问题的提出和研究,有益于机器人的早日能加以应
用。 (5)机器人电源需求

大多数移动机器人由于工作条件和自身重量与结构的限制,不适于采用太阳能为 其供电,而必须用蓄电池。不过目前的电池仍存在供电时间短、体积大、重量重的问 题,而且在低温下某些电池的性能显著下降。需要研制适用于移动机器人携带的容量 大且体积小、重量轻的电池,替代能源及机器人自主充电也是今后研究的方向。

1.4论文主要研究内容
本文以一款履带式移动机器人的产品研制为背景,详细设计并实现了基于
TMS320F2812 DSP处理器的运动控制系统,给出了控制系统中车体和云台两大控制单

元各模块的硬件设计和软件实现,并加以调试与分析,最后基于运动学模型对履带式 移动机器人控制方法进行了研究。
本文各章节内容安排如下:

1绪论

硕士论文

第一章主要介绍了履带式移动机器人的研究意义、国内外研究现状与应用前景L 最后介绍了选题的背景以及各章节的主要内容。 第二章根据履带式移动机器人整体设计要求,给出了机器人的车体和云台两大控 制单元整体设计方案,并根据系统设计性能指标,计算出电机和驱动器的选型参数, 确定了运动控制系统中的伺服电机、减速箱、驱动器和传感器等器件的型号。 第三章给出了履带式移动机器人运动控制系统中车体和云台两大运动控制单元 的硬件设计总体方案,重点详细地说明了中央控制模块、电源转换模块、通信模块、 电机驱动模块、换档控制模块、位置检测模块的电路设计原理,通过系统调试验证了 控制系统硬件的性能。 第四章对履带式移动机器人运动控制系统的软件设计做出了详细的说明。着重介 绍了基于CANopen协议的运动控制流程、高精度位置检测原理和软件实现方法、基于 CAN总线的控制协议实现方法等内容,并通过实验数据分析验证了控制系统软件能够 使履带式移动机器人达到控制要求。 第五章研究了基于运动学模型的履带式移动机器人控制方法。建立了履带式移动 机器人的运动学模型,并在此模型的基础上设计了机器人在直线行走过程中位置闭环 控制系统的控制律,并利用Lyaponov稳定判据分析了系统的稳定性,最后通过仿真验 证了所设计控制律的有效性,为进一步的产品改进提供理论分析基础。 最后,对本文所做的工作进行总结,并对需要继续研究的工作进行了展望。





硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

2履带式移动机器人运动控制系统总体设计 2.1履带式移动机器人的总体设计结构
在本次设计中,履带式移动机器人以ARM主控单元为核心控制单元,作用是: 处理通信数据、作出控制决策、发出控制指令。在其下面包括运动控制、电源管理、 通信、网络等各自功能子系统,其中,运动控制系统主要功能是:接收运动控制指令、 解算指令信息、电机伺服驱动并实时监测反馈,核心控制单元与运动控制系统之间通 过CAN总线进行相互通信,其过程遵守CAN2.0B协议。具体的运动控制系统组成如
图2.1所示。
CAN H

图2.1运动控制系统结构图

运动控制系统共包含两个部分:车体运动控制单元和云台运动控制单元。其中: (1)车体运动控制单元主要通过CAN总线接收来自ARM主控单元的车体运动 指令,并根据接收到的左右履带轮转动速度指令和来自左右电机传感器的速度反馈信 号,对车体的运动速度实现闭环控制。该控制单元由以下模块组成: 车体运动控制板:以TI公司的TMS320F2812DSP作为核心处理器,通过CAN总 线接收来自ARM主控单元的左右电机的速度和换档指令,并利用来自左、右电机传 感器信号,得到控制变量,通过CAN通信接口分别输出给左、右电机的驱动器,由 驱动器控制电机转动速度,或对变速箱档位进行控制。 左、右侧电机驱动模块:主要通过CAN通信接口接收来自车体运动控制板的控制

2履带式移动机器人运动控制系统总体设计

硕士论文

变量,并产生相应电机控制输出,实现对电机的速度控制。 左、右侧电机(含左、右侧电机减速箱和传感器):主要接收来自电机驱动模块的 控制输出,并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应的电机驱动模块和车体运
动控制板。

(2)云台控制单元主要通过CAN总线接收来自ARM主控单元的云台运动控制 指令,并根据接收到的云台俯仰和方位转动速度指令和来自俯仰和方位电机传感器的 速度反馈信号,对云台的俯仰转动、方位转动实现速度和位置闭环控制,并将来自方 位位置传感器和俯仰位置传感器的信号通过CAN通信接口发送给ARM主控单元。该 控制单元由以下模块组成: 云台运动控制板:以Ⅱ公司的TMS320F2812DSP作为核心处理器,通过CAN总 线接收来自ARM主控单元的云台俯仰和方位电机的速度指令,并利用来自俯仰和方 位电机的传感器信号,得到控制变量,通过CAN通信接口分别输出给俯仰和方位电 机的驱动器,由俯仰、方位电机驱动器控制电机转动速度,并接收来自方位位置传感 器和俯仰位置传感器的信号,通过CAN通信接口将其发送给ARM主控单元。 俯仰、方位电机驱动模块:主要通过CAN通信接口接收来自云台运动控制板的 控制变量,并产生相应电机控制输出,实现对俯仰、方位电机的速度控制。 俯仰、方位电机(含俯仰、方位电机传感器):主要接收来自俯仰、方位电机驱动 模块的控制输出,并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应得电机驱动模块。 俯仰、方位位置传感器:主要输出方位、俯仰位置传感器的位置信号,经过轴角 转换芯片转换成数字量位置信号,传输给DSP2812。

2.2车体运动控制单元的组成与选型
2.2.1车体运动控制单元的组成 车体运动控制单元作为机器人活动的平台,不仅要求能够作为载体实现机器人的 巡航功能,还需要能够在各种环境下可靠工作,因此,必须加传感器以实现闭环并对 电机传感器检测到的速度信号进行实时的监测并加以控制,具体的车体运动控制单元 如图2.2所示: 在车体运动控制单元中,微处理器是控制电路的核心部分。微处理器必须具备高 可靠性和较强的运算功能,能满足控制算法和数字滤波的需求,并具备足够容量的片 上存储器,无需外扩存储器。同时具备足够数量的外部接口与完整的电机控制功能, 如脉宽调制模块、计时模块、捕获单元等,可完成各种类型信号的输入和输出,方便 设计、节约开发时间、降低设计难度,最后还应具备功耗低,性价比高等优点。综合 以上因素选择TMS320F2812作为控制板的核心处理器。该芯片是TI公司推出的一款


硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

基于TMS320C2XX内核的32位数字信号处理器。芯片上集成了多种外部接口,为电 机控制提供了良好的平台。

图2.2车体运动控制单元框图 车体运动控制单元主要实现以下功能: (1)速度控制 DSP2812通过CAN通信接口接收来自ARM主控单元的机器人左右两侧电机的速 度指令,得到的相应控制量通过CAN通信接口发送给左右两侧电机的驱动器,驱动 器根据接收到的速度指令和来自电机传感器的反馈信号,相应的对电机速度进行控制, 同时将电机的转速通过CAN通信接口发送给DSP2812。 (2)档位控制 DSP2812通过CAN通信接口,接收来自ARM主控单元的换档指令,然后通过I/O 接121,控制左右两侧变速箱档位,从而改变电机的总减速比和输出力矩,以适应不同 的环境。 整块车体运动控制板共包含11个外部接口: 1.CAN通信接口:主要用于接收来自ARM主控单元的速度控制指令,并将车体 的运动速度发送给ARM主控单元; 2.左侧电机接口:主要用于向左侧电机输出驱动电压信号; 3.右侧电机接口:主要用于向右侧电机输出驱动电压信号;


2履带式移动机器^运动控制系统总体世计

硕士论文

4.左侧反馈接口:主要用于接收来自左侧电机旋转变压器的反馈信号: 5.右侧反馈接口:主要用于接收来自右侧电机旋转变压器的反馈信号; 6.左侧变速箱控制接口:主要用于控制左侧变速箱抉档; 7.右侧变速箱控制接口:主要用于控制右侧变速箱换档; 8.18V电源接口:主要用连接ISV控制电源,经电平转换电路,向主芯片及其外 围电路供电; 9.36V电源接口:主要用于连接36V动力电源,向电机驱动器供电: 2.2.2车体运动控制单元器件选型 (1)车体运动控制板 选择TI公司的TMS320LF28 12DSP作为控制板核心处理器,设计相应外围电路, 实现对ARM主控单元指令的接收、控制变量计算、控制变量发送、传感器反馈信号 接收等功能。 在本次设计中,将飞思卡尔的DSP56F8367与Ⅱ公司的TMS320F28 12进行比较,两 款DSP的相关性能指标见表2.1所示1621。
表2.1 DSP56F8367与TMS320F28 1 2性能比较
DSP56F8367 TMS320F2812
150 8

mS
BOot Rol、dⅨB

80 Seleet

R^M,KB
Flash RoMKB

36
512 4 2

36
256 7

Ti枷e

CAPtQEP
PⅥ哺i


16 16

6 4 Y船



、VD SPI

Yes
l 2 l 56

2 2 2 76

SCI
CALN 10

从上表可见,虽然DSP56F8367在通信外设以及FLASH比TMS320F28 12要多,但 是根据本次设计的实际情况,即需要有较快的指令解算以及实时监控,并且也不需要 过多的通信接口,最终选择TMS320F2812作为核心处理芯片。
lO

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

(2)左、一右侧电机 电机型号:MAXON,EC 电机参数如表2.2所示【48】。
表2,2 MAXON 技术参数 额定电压 无负载转速 无负载电流 额定转速 额定转矩(最大连续转矩) 额定电流(最大连续电流) 堵转转矩 启动电流 最大效率 工作温度范围 防护等级
EC

45。

45电机参数表 数值
36.O

单位


9340
572 8180 174

rpm mA

rpm mNm


5.24 1590 43.8

mNm


79 -20~100

% ℃ 妒

54

(3)左、右侧电机一级减速箱选择行星齿轮减速箱GPL 40,减速LL30:1,二级减速箱
减速比5:1。

(4)左、右侧电机传感器 电机传感器是用来检测电机的速度信号,常见的速度传感器有光电编码器和旋转 变压器。光电编码器是将轴的转动角度,利用光电转换原理转换成相应的电脉冲 或数字量,具有体积小、精度高、工作可靠、接口数字化等优点,但是它对户外 及恶劣环境下使用提出较高的保护要求。而旋转变压器与编码器相比最大的优点是有 超强的抗震、耐油、耐水的能力,而且旋变是纯绕线式,没有任何电子元件,所以抗 干扰能力及使用寿命都要大大好于光电编码器t361。结合本次设计要求,机器人需要在 恶劣的环境下作业,所以选择MAXON,Resolver
Res

26旋转变压器作为机器人的速度

检测反馈。传感器供电电压峰值10V,频率10kHz;重量:409;工作温度:一55N155"C;
电气误差:j:10min。

(5)左、右侧电机驱动模块【16j 选择以色列Elmo公司生产的HO鼢姬T Hor-10/60驱动器。该驱动器主要参数如
表2-3所示。
11

2履带式移动机器人运动控制系统总体设计

硕士论文

表2.3

HORNET Hor-1 0/60驱动器参数

参数

数值
7.5

单位
V DC V DC

最小供电电压
最大供电电压

59
480 55xl 5x46.5 -40~70

最大持续功率输出
尺寸 工作温度范围


mm ℃

下面章节将对车体运动控制单元的电机以及驱动器选型加以核算。

2.3云台运动控制单元的组成与选型
2.3.1云台运动控制单元的组成 云台控制单元是移动机器人实现侦查、反恐、排爆等任务的基本平台。对控制系 统的要求不仅仅要求能够在一定的时间内达到某个方位俯仰位置,而要求能够误差在 某个非常小的范围内。为此,云台运动控制单元比车体运动控制单元更为复杂,它不 但需要速度控制闭环,而且必须加入位置控制闭环,为了能够达到较高的定位精度, 在机械各个零部件的设计方面也有着非常高的要求。云台运动控制系统如图2.3所示。

图2.3云台运动控制单元结构框图
12

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

与车体运动控制单元相似,云台运动控制单元也选择TMS320F28 12DSP芯片作为 核心处理器,以满足系统对云台控制的功能、速度和稳定性的要求。

从框图中看出,车体运动控制单元主要实现以下功能: (1)云台速度控制 DSP2812通过CAN通信接口,接收来自ARM主控单元的云台电机的速度指令; 得到相应的控制量,通过CAN通信接口发送给俯仰和方位电机的驱动器,驱动器根 据接收到的速度指令和来自旋转变压器的反馈信号,对相应电机的速度进行控制,同 时将电机的转速通过CAN通信接口发送给DSP2812芯片。
(2)接收云台俯仰和方位位置信息

控制板分别通过俯仰位置接口和方位位置接口,向俯仰位置传感器和方位位置传 感器发送400Hz励磁信号,同时接收来自俯仰位置传感器和方位位置传感器的模拟信 号,并经轴角转换芯片解算后转变为16位数字量传送给DSP2812芯片,然后由
DSP2812将其转化为角位置信息,通过CAN总线发送给ARM主控单元。

云台运动控制单元包含11个外部接口以方便与外围设备的连接。 1.CAN通信接口:主要用于接收来自ARM主控单元的云台方位和俯仰转动速度 控制指令,并将云台在俯仰和方位上的转动速度信息发送给DSP28 12芯片;
2,俯仰电机接口:主要用于向俯仰电机输出驱动电压信号; 3.方位电机接口:主要用于向方位电机输出驱动电压信号;

4.俯仰电机反馈接口:主要用于接收来自俯仰电机旋转变压器的速度反馈信号; 5.方位电机反馈接口:主要用于接收来自方位电机旋转变压器的速度反馈信号;
6.俯仰位置接口,主要用于控制板向俯仰位置旋转变压器发送励磁信号和接收来

自俯仰位置旋转变压器的位置反馈信号,并通过轴角转换芯片将其转化为数字量,发
送给DSP2812芯片: 7.方位位置接口,主要用于控制板向方位位置旋转变压器发送励磁信号和接收来

自方位位置旋转变压器的位置反馈信号,并通过轴角转换芯片将其转化为数字量,发
送给DSP2812芯片;

8.18V电源接口:主要用连接18V控制电源,经电平转换电路,向主芯片及其外
围电路供电; 9.36V电源接口:主要用于连接36V动力电源,向电机驱动器供电。 2.3.2云台运动控制单元器件选型 (1)云台运动控制板

选择TI公司的TMS320F2812DSP作为控制板核心处理器,设计相应外围电路, 实现对ARM主控单元指令的接收、控制变量计算、控制变量发送、传感器反馈信号
13

2履带式移动机器人运动控制系统总体设计

硕士论文

接收等功能。 (2)俯仰、方位电机
电机型号:MAXON EC.MAX
40。

电机参数如表2.4所示【4羽。
表2.4 MAXON EC.MAX 40电机参数 技术参数 额定电压 无负载转速 无负载电流 额定转速

数值
36.O
8450

单位


rpm mA rpm mNm


228 7050
93.7 2.52

额定转矩(最大连续转矩) 额定电流(最大连续电流)
堵转转矩

595
-40~100 51.2

mNm ℃

工作温度
转子惯量 最大效率

g/cm2 %

77

(3)电机速度传感器 电机速度传感器:MAXON,Resolver
Res 26,10 Volt。

参数:供电电压峰值10V,频率10kHz;重量:409;工作温度:.55~155。C;电气
误差:+10min。

(4)俯仰、方位电机驱动模块 选择以色列Elmo公司生产的HORNET Hor-5/60驱动器。该驱动器主要参数如表
2.5所示【36】。
表2.5 HORNET Hor-5/60驱动器参数

参数
最小供电电压 最大供电电压 最大持续功率输出 尺寸

数值
7.5

单位
V DC V DC

59
240


mm

55xl 5x46.5 -40—70

工作温度范围
14

oC

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

(5)位置传感器

选用中国电子科技集团凇研究所生产的双通道旋变发送机检测云台的方位与俯
仰信号。具体参数如下: 额定电压:36V;额定频率:400Hz;精度:士17,精度等级:2级; 外形尺寸:直径70ram,高lOcm;

2.4电机及驱动器参数核算
对履带式移动机器人运动控制系统有如下的要求: (1)控制系统可靠,能在工业级温度环境下正常稳定并且长时间工作。 (2)机器人能够在雨雪天气下工作,具备较好的抗震动与抗冲击的能力。 (3)在平坦的路面上,最大巡航速度达到1.5m/s,能爬越30。的陡坡且保持0.4m/s 的速度。 (4)机器人方位能够在6s时间内旋转90。,俯仰能够在6s时间内上下运动45 基于以上四条设计要求下面对电机及驱动器进行参数核算。 2.4.1电机参数核算 (1)车体电机参数核算 根据设计要求能实现平路巡航速度1.5m/s,最大爬坡角300,爬坡速度0.4m/s,并 根据电机负载力矩计算公式:
4。

乙:[Ma+G(fcosot+sinot)]r,(1'4tr、Jm、)
』肼2


\厶1, (2.1)

刀。z‘Tl

其中:L表示电机负载力矩;M表示车体质量;a表示要求加速度; G表示车重(Ⅳ)。机器人质量M为30堙,车重G为30x9.8N; 厂表示履带与地面摩擦系数(取值在o,055~o。3之间); 0‘表示爬坡角度,最大300;_表示主动轮半径,取值为O.136m


i表示总传动比,其中一级传动比fl=30,二级传动比f:=5;1"1表示传动效率, 其中一级传动效率r11=0.84,二级传动效率1"12=0.76;,z表示电机个数,刀=2; 另外,电机转速计算公式为:

Ⅳ=÷.f.60(rpm)
zr,rj

(2.2)

其中:v表示机器人前进速度:按水平地面1.5m/s,爬坡0.4m/s计算; r。表示主动轮半径;f表示总传动比; 最后,根据公式(2.3)可以计算出电动机所需功率,电机功率计算公式为:
15

2履带式移动机器人运动控制系统总体设计

硕士论文

P:j丛(w)
9.549xrl’。

(2.3)

其中:”表示传动效率; 在平地运动时,取速度v=1.5m/¥,加速度a=lm/s2,摩擦系数f=0.1,传动比 i=30,传动效率rl=rl。=0.84,则电动机负载力矩乙=O.16(Nm),电动机转速

N=3161-3(rpm),电动机功率P=63.8(Ⅵ。
在爬坡时,取速度v=0.4m/s,加速度a=0.5m/s2,摩擦系数厂=O.1,传动比 f=150(爬坡时换档),传动效率T1=T1,?'12=0.6384,则电动机负载力矩

乙=0.1331(Nm),电动机转速N=4215.1(rpm),电动机功率P=92.03(哪。
考察MAXON EC45电机各指标参数,无论机器人平地行驶或者爬坡时,所需转矩 与转速均小于额定转矩与额定转速,电机所需功率小于电机额定功率
eo=UI=36x 5.24=188.64(W),满足设计要求。

(2)云台电机参数核算 根据系统性能要求:方位运动:6秒转动90度;俯仰运动:6秒转动45度,可绘 制系统方位电机调速曲线和俯仰电机调速曲线,如图2.4所示:
角速度(。/s) 角速度(。/s)

时间(s)

时间(s)

a)方位电机调速曲线

b)俯仰电机调速曲线

图2.4方位与俯仰电机调速曲线

由调速曲线可知,俯仰和方位电机所需最大角速度180/s,最大角加速度180/s2。 为了节约设计成本,云台的方位和俯仰电机按照高性能要求选择同一款电机。 在所设计的系统中,执行电机通过蜗轮蜗杆减速装置与负载相连。为了确保电动 机在带上负载后,功率能够达到系统最高速度和最高加速度的要求,电动机工作可靠, 假设系统各结构参数如表2.6所示。
表2.6云台系统参数 负载与电机质量
15Kg
16

减速比f
500:1

最大跟踪角加速度
0.32rad/s2

最大跟踪角速度
0.32rad/s

传动效率11
O.75

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

根据负载按质点计算,其质心与转动轴之间的距离以0.2m,经计算负载的转动惯

量:以=mxr2=15x0.22=0.6kgm2,负载摩擦力矩:疋之fxr=10x0.3=3砌,电
机轴干摩擦力矩砭=0.05Nm。 根据以上数据,当系统以最大跟踪角加速度g螂运行时,计算电机轴上短时承受 的最大转矩疋为:

乏=乙+熹×rl+卜甜跳磁


亿4,

\、

z1/

其中:瓦表示电机轴上承受的转矩,Nm;

瓦表示电机轴干摩擦力矩,Nm; £表示负载干摩擦力矩,Nm;
,.表示电机转子转动惯量,Kgm2,

以表示负载转动惯量,K酽;
£一表示负载角加速度rad/s2; 将表中各参数代入上式,即可得电机轴上承受的最大转矩为:

疋=乙+≠兰=-+(‘厂,+兰})×f×£m孤 z×n z1
500X 0.75


:0.05-I.———L+(51.2×10一7+———坚)×500×0.32


5002 x0.75

=O.05933Nm

该值小于俯仰方位电机的额定转矩。当云台的俯仰、方位电机运动到最大速度为 180/s,减速比为500:1,可知俯仰和方位电机的最大角速度需求为: 18×500X60/360=1500rpm小于电机的额定转速。所选电机可以满足要求。 2.4.2电机驱动器的参数核算 在本次设计中,车体与云台控制单元的动力电源均为36V,电机的额定电流均在驱 动器所能承受的电流范围之内,并且Elmo驱动器体积小,重量轻,适合与PCB板的可靠 连接,且具有性能强劲、工作温度范围宽、使用方便等优点。

2.5本章小结
本章根据履带式移动机器人整体设计要求,给出了机器人的车体和云台两大控制 单元整体设计方案,并根据系统设计性能指标,对电机和驱动器的选型参数进行了细 致核算,在此基础上确定了运动控制系统中的伺服电机、减速箱、驱动器和传感器等
器件的型号。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计
在本次运动控制系统的硬件设计中,采用了模块化的设计思想。根据控制系统的 功能,在电路板制作时将车体控制单元分为以下几个部分:DSP2812核心控制板(包括 通信部分)、电机驱动(已集成)和步进电机驱动板;云台运动控制单元分为以下几个部 分:DSP2812核心控制板(包括通信部分)、电机驱动(已集成)和轴角转换板。将各个子 电路板通过PCB的连接方式安装至DSP2812核心控制板,从而构成一个大的运动控 制系统,这样设计有以下的优点: 令模块化设计,便于各个子电路板的硬件调试,如系统出现问题,便于查错。 令拆卸方便,如果部分电子元器件出现故障,则不需要对整个运动控制系统重
新制版和焊接,只需更换出故障的部分。

夺便于今后更新升级。若对机器人的运动控制有更高的要求,则直接更换相关 模块。如更换核心控制板(提高运行速度)或者更换轴角转换板(提高位置检测
的精度)。

3.1车体运动控制单元硬件设计
3.1.1车体运动控制单元整体结构 以上章节介绍了车体运动控制系统电机、驱动器以及传感器的选型及参数核算。 下面将以这些作为前提,对车体运动控制板进行设计。
根据机械设计结构,两个Maxon
EC

45电机平行于机器人车身后端放置,通过齿

轮的啮合将电机力矩传递给机器人的两个主动轮进行有效动力的传送,电机上方放置 履带式移动机器人的车体运动控制板以及云台运动控制板,可方便整体的布局。电机 上方空间比较大,可以容纳45cmx25cmx5cm体积的空间,根据机器人系统要求对两 块运动控制板进行分配:车体运动控制板大小18cm×18era,云台运动控制板大小
22crnx 1

8crn,高度均小于5cm,多余的空间留用于走线。

具体的车体运动控制板的硬件连接方式如图3.1所示。 从功能上来说,车体运动控制单元可以分为以下几个部分:DSP2812核心控制模 块、电源转换模块、通信模块、电机驱动模块、换档控制模块。

19

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

图3.1车体运动控制板硬件连接图

电源转换模块为整个运动控制单元提供稳定可靠的电源,DSP2812核心控制模块 是车体运动控制单元的核心,它的主要任务是搜集系统反馈信息、通过通信模块给驱 动器提供有效实时的控制量、给换档控制模块发出控制脉冲,电机驱动模块通过机械 传动为移动机器人提供动力支持。 3.1.2车体核心控制模块
3.1.2.1

DSP2812外围电路

在机器人控制系统中,运动控制系统处理器接收上位机指令,实时运算并输出控 制信号,监测系统的实时状态并加以调节。首先,控制系统要求处理器有较快的处理 速度、较短的系统周期、较稳的系统性能。
TI公司的C2000 DSP平台将高速运算能力和面向电机的高效控制能力集成于一片

IC上,强大的数据处理和控制能力可大幅度提高应用效率和降低功耗。TMS320LF28x 系?UDSP是目前控制领域最高性能的处理器,具有精度高、速度快、集成度高等特点。 TMS320F2812具有强大的控制和信号处理能力,能够实现复杂的控制算法,它片 上整合TFLASH存储器、快速的A/D转换器、增强的eCAN模块、事件管理器、正交编

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

码电路接口以及多通道缓冲串口等外设。

32位的DSP2812整合了DSP和微控制器的最佳特性,能够在1个周期内完成32x32
位的乘法累加运算,或两个16x 16位乘法累加运算,能够完成64位的数据处理,从而 使该处理器能够实现更高精度的处理任务。快速的中断响应使其能够保护关键的寄存 器以及快速地响应外部异步事件【801。 DSP2812的外部IO引脚分配为以下几个部分:

(1)GPIOA0"--GPIOA7-作为LED状态指示灯的输入引脚(灌电流时LED指示灯亮)。 (2)GPIOAl2-"-'GPIOAl5:换档状态指示输入引脚。 (3)G.PIOB0~GPIOB7:换档控制脉冲输出引脚。
(4)GPIOA8~GPIOAlO、GPIOB8~GPIOBlO:接收驱动器信号输入引脚。 3.1.2.2时钟与复位电路 (1)时钟电路 TMS320F28 l 2处理器内部集成了振荡器、锁相环和工作模式选择等控制电路。振

荡器、锁相环为2812CPU提供可编程的时钟,每个外设的时钟都可以通过相应的寄存 器进行编程设置。图3.2为TMS320F2812处理器内部各时钟和复位电路结构图。
R∞磺

SYSCLKOUT

W舔蜘


.XRS



Block

Ped曲erai Re.髓t
CUQH C勰x CPU



X1ⅨCU讲● 冗上
OSC X2

l l

power






l l

Modes
Control



鹭翼LLDIS




图3.2

TMS320F2812处理器内部各时钟和复位电路

锁相环是一种通过外部晶振使其相对于参考信号保持稳定相位的电路。目前微处 理器或DSP集成的片上锁相环,主要作用是通过软件配置外部时钟,提高系统的可靠 性和灵活性。另外,采用软件配置可编程锁相环,系统可以允许外部有较低的工作频
率,经过DSP内的锁相环提供较高的系统时钟,这样可以降低系统对外部时钟的依赖 并减少电磁干扰,提高系统启动及运行的可靠性【62】。

DSP2812允许使用2种提供时钟方式,即采用内部振荡器和外部时钟源。如果使用 内部振荡器,,必须在X1/XCLKIN和X2这两个引脚之间连接一个石英晶体,如果使用 外部时钟源,可以将输入的时钟信号直接接到X1/xCLⅪ[N引脚上,X2悬空,则不需要

内部振荡器。第一种方案封装简单,使用方便,便于调试,外部电容选用30矿+lOpF,
2l

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

选用20M晶振,24矿的电容所构成的外部电路如图三.3所示。
)(2

∞MS320F28 12

Xl,XCLKIN

图3.3

DSP内部振荡电路

(2)复位电路 DSP上电后,为了能让控制系统正常工作,首先要给DSP一个复位信号以复位寄 存器和输入输出端口。TMS320F2812的XRS为器件复位和看门狗复位引脚,当复位

DSP2812时,XRS使DSP2812终止运行,PC将指向0x3FFFC0地址,当咫S为高电平时,
程序从PC所指的位置开始运行。当看门狗产生复位时,DSP2812将XRS引脚被置为低 电平,在看门狗复位期间,低电平将持续512个XCLKIN周期。 由于运动控制板是放在机器人箱体内部,在接上电源后不可能再由人手动复位, 所以设计时不需要加入按钮,可以考虑用TPS767D301的复位引脚进行复位。具体的复 位电路如图3.4所示。

图3.4

TMS320F2812复位电路

在图3.4中,DSP RST由TPS767D301的复位引脚提供,在供电电压稳定后的 140-280ms后由低电平变为高电平。图3.4中,A点电压为:
—三

屹=‰脚(1一P‘)
取R26=100f2,C51=22nF,并假设A点电压大于1.8V为高电平,所经过的时间为:

扛劬(1一击)=-RCln(1一上VDSp)_1.73淞_R.ST
相对于TPS767D301平均200ms可以忽略,所以2812在大约140-280ms后可靠复位。
3.1.2.3

JTAG电路

DSP2812的JTAG接口主要是用于程序的调试和下载。JTAG接口引脚的定义顺序是

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

从上到下、左右交替排列,不同于一般的集成芯片引脚的逆时针顺序。图3.5为JTAG与 运动控制板上DSP2812的连接图,JTAG接口符合TI公司IEEE 1149.1标准定义【80】。

图3.5

JTAG与DSP2812连接图

JTAG引脚功能定义如下: (1)VCC.引脚连接至tJDSP2812控制板的+3.3V电源端; (2)GND:地,是仿真器与DSP的共地信号连线;
(3)EMU0-EMUO引脚,需要上拉3.3V; (4)EMUl:EMUl引脚,需要上拉3.3V;

(5)TDO:测试数据输出引脚; (6)TDI-测试数据输入引脚; (7)TCK:测试时钟引脚,该信号来自仿真器; (8)TRST:测试复位引脚。 (9)TMS:测试模式选择引脚; 3.1.3车体控制单元电源转换模块 (1)3.3V与1.8V供电芯片选择 TMS320F2812芯片内部内核和外部I/O模块采用独立的供电结构,如果在上电过程 中两个供电电压的起始时间和上升速度不同,就会在芯片内部的独立单元(内核和外部 i/o)之间产生电流,从而影响系统的初始化,甚至器件的寿命也会受到影响,并且隔 离模块之间的电流会触发器件的自锁保护。所以在设计时必须保证如果其中的一种电 压低于要求的操作电压,另一个电压的供电时间不能超过要求的时间。此外,在系统 上电过程中,DSP需要根据相关的引脚电平高低对其工作模式进行相关配置,因此要

求外部I/O要先于内核供叫621。在上电过程中,系统内核供电要和外部I/o供电要尽可
23

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

能没有太大时间间隔,这样可以保障I/O缓冲接收到正确的.内-核输出j防止系统的总线 冲突、保障了系统的稳定性和运行寿命。 TMS320F2812的CPU、FLASH、ADC以及I/O口均需要双电源(1.8V和3.3v)供电, 为了满足DSP2812上电过程中相关引脚确定系统的工作状态,首先应保证3.3V先上电, 其中包括VDDIO、VDD3VFL、vDDAlⅣDDA2/VDDAIO/AVDDREFBG,然后给内核 提供1.8V或1.9VEg压【621。具体的上电顺序如图3.6所示。

VDO._I.SV.诚竹‘
l I
■■■■■■_■■__‘■●■■■or
- l _

l l I I h0毒 I卜卜—叫 I l I ‘I I l




I 1.8V

I I

I I




I l

l:乜竺J



嬲: l l ●■■■■■■●■■■■■■■■■■■o■o■■o●o■?■?一
I I I

rI




I l

图3.6

2812的上电次序时序

在设计时,选择了两套方案进行比较,第一种是使用ADMOS公司的AMSlll7-1.8 和AMSlll7.3.3;第二种是使用一片TI公司的TPS767D301芯片,它能从5V转为3.3V以 及1.8V。表3.1YU出了两种方案的性能指标。
表3.1

AMSlll7.1.8/3.3与TPS767D301性能比较
AMSlll7.1.8/3-3
800mA 0 oC~1250C TP¥767D30 1 1A

性能指标 电流输出能力(Max)

温度范围
封装

-400C~1250C TSSOP

SOT-223

外围电路复杂度
使能引脚

简单 无

较复杂 有

从上面的表格可以看出虽然AMSl 117.1.8和AMSlll7.3.371脚少、外围电路简单, 但是无法配合3.3VNll.8V的上电时序,并且温度范围没有TPS767D301泛,当机器人 在雪地中作业时电源就会无法正常工作,结合以上因素选择TPS767D301。

TPS767D301配合电源监测芯片TPS3838硒3DBV组成的电路如图3.7所示。
24

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

图3.7

TPS767D301外围电路图

系统上电后,TPS767D301的3.3V使能引脚接地,给DSP的所有3.3V引脚先上电,

在这个过程中,当3.3V电压从0变为2.2V时,三极管Ql导通,TPS767D301的1.8V使能
引脚接地,DSP的所有1.8V引脚上电。当系统5V供电低于2.94V时,TPS3838K33DBV 被禁止,1.8V电压被切断。具体的上电时序如图3.8所示。

SUPPLY.VoDlO



3VFL VDDAl。VDDA2、 Ⅳ
Q1

~//

/ 、.∥ \
DSP RST

1.8V SUPPLY

140ms-280ms?—-?—一



./

图3.8

DSP上电时序

当所有电源稳定后,TPS767D301的复位脚在140ms.280ms后会给一个高电平的复 位信号给DSP复位,即图3.4中的DSP RST。若要求DSPI作在150M主频下,所有
DSPl.8V引脚最好给予1.9V供电,当DSPI作在120M主频下时,1.8V贝JJ能满足要求, TPS767D301的1.8V输出电压可以根据外围匹配电阻调节,即

吃=%×(1+彘)1
其中,%=1.1834V

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

取R9=18.2K,R2=30K,R5=looQ,%=1.899V。

(2)控制电路板电耗计算 在本次设计中,电源管理系统只提供36v以及18v(车体1.5A、云台1.5A)电源。36V 作为动力电给电机供电,18V作为控制电给控制板的控制电路供电。下面对车体的各 器件进行粗略的功耗核算,从而选出合适的DC.DC电源模块。 TPS767D301每个电压输出能提供最大至1A的电流,TPS767D301给DSP2812提供 3.3V、1.8V电压,给车体电路板上的其他芯片及外围电子元器件提供3.3V电压。估算 3.3V引脚以及1.8V引脚实际输出最大电流为333mA和420mA,则根据公式:

匕=(%一‰)×乙计算出芯片TPs767D301的功耗,如表3.2所示。
表3.2 供电电压
1.8V TPS767D30 1功耗计算表

最大电流(mA)
333

功耗(mw)
1066
714

3.3V

420

根据表3.2可以算出TPS767D301在正常工作状态下自身消耗的最大功率为: e=1.78W。输出功率只=1.986W,给其他芯片以及电子元器件供电。 下面计算TPS767D301的最大耗散功耗,可以根据公式3.1算出。 PD(max)=(I(max)一疋)/R细=(125-35)/27.9=3255mW 其中T,(max)为最大结温,疋为环境温度取为350C,R晒为芯片热阻。 显然P<PD(max),可以保证不会过热销毁芯片。 根据芯片手册的电气特性由公式P=圪.L可将车体运动控制板所用到的芯片以 及对应功耗列为表3.3。
表3.3车体运动控制板各芯片功耗表 性能指标
TM¥320F28 12
SP3232EEN SN65HVD230 74LVC4245 TP¥3838K33DBV

(3.1)

功耗(row)
714 330 99 330 50

数量
1 l l 2 1

说明 发放所有内部时钟与DSP复用功能 3.3V芯片,最大功耗 3.3V芯片,最大功耗 3.3V芯片,最大功耗 5V芯片,最大功耗

可以计算出表3.3中前面四款芯片的功耗总和足=1.803W,其值小于TPS767D301 的输出功率。 综上所述,可以粗略的计算出车体控制板的最大功耗约为:3.766W。 为了留有裕量,选择8W左右的DC.DC模块。表3.4列出了三家满足要求的电源模 块进行比较【491。

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

表3.4 输入电压 厂家 星原丰泰
9.18 5.1

电源模块性能参数比较 输出电流
(mA)
2000

输出电压

功率

效率 (%)
80

范围∽




10

尺寸㈣
50.8×25.4×14

(XRl 0/1 2S05) 桑美
9.18 5 2000 10 80 50.8×25.4×10.2

(WDl0—12S05) MORNSUN
9.18 5 1500 8 81 32×20×10.5

(vm3 1 205MP一8w)

从上表中可以看出,MORNSUN的VRBl205MP。8W能够满足要求,并且外型尺寸 小,能节约PCB的面积。 VRBl205MP.8W具有以下特点:

令宽电压输入(2:1)
夺隔离电压1500VDC 夺金属屏蔽封装
?令
BTBF>1 000000h

3.1.4车体控制单元通信模块
(1)串口SCI通信 串行SCI通信是一种基于双线制物理连接方式的异步通信方式。SCI模块的通信数

据采用标准非归零格式,可以实现多个CPU之间的相互通信,或者与能够兼容SCI数据 格式的外设端口进行数据通信。TMS320F2812处理器为用户提供了两个独立的SCI通
信接口,SCI接收器和发送器有相互独立的使能与中断位,可以独立地对其操作,从而

实现半双工或者全双工通信【59】【68】。 DSP2812的SCI接口相对于DSP2407的SCI接口有了很多的改进,在原功能上增加 了通信速度自动检测和FIFO缓冲等新功能,具体特点如下: 夺2个外部引脚:SCITXD为SCI数据发送引脚;SCIRXD为SCI数据接收引脚。 两个引脚为多功能复用引脚,可以作为通用数字量I/O。 令可编程通信速率,可设置64K通信速率。 夺数据格式:1个起始位,1.8位可编程数据字长度,可选择奇、偶校验或无校验 模式,1或2位的停止位。
◆自动通信速率监测。
◆l 6级发送/接收FIFO。

在本次设计中,SCI接口主要是用于运动控制板与Elmo公司提供的转接板进行测
27

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

试联调,并作为今后机器人升级的备用目。 RS.232、RS.422和RS-485都是串行数据接口标准,它们只是对接口的电气特性做 出相关规定,而对插件形式、电缆类型和通信协议不作涉及。相关的电气参数如表3.5
所不。 表3.5串行数据接口标准的电气参数 规定 工作方式
节点数
RS.232 RS-422
RS-485

fr一

单端
1收、1发 50英尺
20Kb/s ±25V ±5V~±15V

差分

差分

l发10收
400英尺
10Mb/s —o.25V~+6V ±2V

1发32收 400英尺
10Mb/s -7V~+12V ±1.5V

最大传输距离 最大传输速率 最大驱动输出电压 驱动器输出信号电平’ (负载最小值) 接收器输入电压范围

±15V

一10V~+10V

.7V~+12V

运动控制板放置于机器人箱体中,故与上位机或其他通信模块距离很短,并且传 输数据量也不是太大,对于传输速度要求不高,采用较为简单的RS.232日P能满足要求。 下面对串行通信的两款驱动芯片(MAX232A和SP3232EEN)进行比较,并作出选 型。具体器件性能参数如表3.6所示。
表3.6 MAX232A、SP3232EEN性能参数对比表

性能指标

ⅣL埙232A
5 200

SP3232EEN

供电电压∽
最大传输速度(kbps)

3.3
235

SP3232EEN集成度高、3.3V供电,具有两个接收和发送通道,而TMS320F2812也 是采用3.3V供电,所以在其之间可以直接连接。图3.9是TMS320F2812的串行通信接口 电路,在设计中采用了符合RS.232标准的驱动芯片SP3232EEN进行串行通信。
C35

图3.9串行通信接口电路图

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

在图3.9中,SW

DIP-4是一个拨位开关,可以进行通信方向选择。一方面可以选择

为车体运动控制板与HORNET转接板的串口通信,另一方面可以选择为TMS320F2812 与HORNET的串口通信。
(2)CAN通信t59】【80】

由于整个履带式移动机器人包括各控制子系统,如通信子系统、网络子系统、电 源管理子系统、GPS子系统等等,如果各个子系统与ARM主控单元都用RS232通信, 不仅接口繁多,而且在大数据量的情况下会严重影响传输的效率,而如果选用CAN总线 形式,不仅具有较高的通信速率,而且特别是在机器人内部有电机磁场干扰的复杂环 境下有较强的抗干扰能力,并可以挂载多个设备。 CAN总线是一种串行通信协议,具有较高的通信速率(1Mb/s)、较高的可靠性和较 强的抗干扰能力(能够可靠地在强噪声、干扰以及恶劣工作环境下工作),适合用于电 磁噪声比较大的场合,如火车、楼宇控制、机械制造、机器人、医疗器械、数字机床 等领域。 CAN总线传送数据并不是采用物理地址模式,而是通过消息自身所带有的标识符 来识别总线上的节点。标识符具有两个功能:消息滤波和确定优先级,即各个节点通 过标识符来判断是否接收总线上的数据,当有2个或者更多的节点在同一时刻传送消息 时,根据标识符确定优先级。总线访问采用多主原则,所有节点都可以作为主节点访 问总线。CAN总线相对于Ethernet具有非破坏性避免总线冲突的特点,这种方式可以保 证在总线有冲突的情况下,具有更高优先级的消息没有被延时传输【621。 TMS320F2812集成了增强型的eCAN通信接口,其整体结构如图3.10所示。

图3.10

DSP2812

eCAN模块整体结构图

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

TMS320F2812所集成的CAN通信接口与CAN2.0B标准接IZl完全兼容,内部结构主 要由CAN协议内核和消息控制器构成。TMS320F2812中的CAN控制器为CPU提供完整 的CAN协议,在通信时可以有效的减少CPU的开销,保证分布式控制的实时有效。其 中,消息控制器包括:存储器管理单元、可以存储32个消息的邮箱存储器以及控制和 状态寄存器【621。 在本次设计中,选用的是SN65HVD230总线收发器。SN65HVD230是TI公司生产 的3.3V CAN总线收发器,它有较强的抗宽范围共模干扰、电磁干扰的能力,在高干扰 环境下对于各种速率的数据传输都具有良好的收发能力。具体的硬件电路如图3.11所
示。

图3.11

CAN总线收发器硬件电路图

图3.11中,尺10,R2用于控制CAN总线上的波形的斜率,Rll=120f2。 3.1.5车体电机驱动模块 目前,随着电力电子技术的发展,各种电力电子器件应用于各种驱动控制场合, 如GTO、MOSFET以及IGBT。以功率开关管配合功率驱动芯片所组成的桥式驱动电路 有着广泛的应用,下面将电机驱动模块和由功率开关管配合功率驱动芯片所构成的驱 动电路进行比较,见表3.7所示。
表3.7两种电机驱动方案对比表 功率开关管配合功率驱动芯片
优点 电机驱动模块

控制策略简单、电路制造成本低、实 现方便

智能化、体积小、有较高的可靠性、
驱动性能稳定 成本高

缺点

可靠性不高,有可能上下管直通,功
率损耗大

在本次设计中,为了使驱动性能可靠并且稳定,减少开发时间,最终选择使用电 机驱动模块进行电机的驱动控制。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

下面将Maxon的一款驱动器DES 50/5和Elrno的Hornet 10/60的性能参数进行比较,
见表3.8所示【15】1161[48】。
表3.8 DES 50/5与Hornet 10/60性能对比表
DES 50/5

Homet 10/60 7.5~59VDC。 0.95XVcc
20A lOA

电源电压 最大输出电压 最大输出电流 连续输出电流 最大持续输出功率 编码器信号

12~50VDC 0.9xVcc
15A 5A

250W A,A、,B,B\,I,I\最大1 MHz 要求三通道编码器

480W

三通道编码器、霍尔、旋变

最大效率 通讯 工作温度 重量 尺寸 安装方式

92%

>99%

1个RS232,1个CAN
.100C~+45 oC
4109

1+RS232,I+CAN
.400C~+700C
509

180×103X26ram

55×15X46.5mm

M4螺纹安装底板

PCB连接

从上表中可以看出,Elmo的Homer 10/60各方面的性能参数都要比Maxon的DES 50/5优越,并且体积小、重量轻、温度范围宽、能用PCB的形式连接于驱动板上。Hornet 的主要特点如下【16】: ◆电流控制

>完全数字化控制 >能配合矢量控制的正弦变换和编码器或者数字霍尔传感器的梯形变换
>12位的电流环解析 >能自主补偿直流电源,保证电源稳定

◆速度控制
>完全数字化控制

>可编程PI和FFW控制滤波


自动、手动以及先进手工调整和测定最佳增益和相位裕度

◆位置控制 >可编程PIP控制过滤

>可编程陷波、低通滤波 >通过辅助编码器输入,位置跟随模式可以监测从驱动器相对于主驱动器的位置

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

>四倍于电流环的采样时间 >PT和PVT运动模式
◆系统通讯

RS232串口通讯;适用于多主分布式系统的的CANOpen ◆反馈控制 可配合增量式编码器、数字霍尔传感器、插值模拟正弦/余弦编码器、旋转变压器、 转速计、电位器 ◆系统保护 >软件错误保护 >对可能错误条件的状态报告 >过温、过压、信号丢失、电机绕组短路等保护 HO鼢岖T的系统结构如图3.12所示。

图3.12

HORNET的系统结构图

整个HORNET电机驱动模块主要由5个部分组成:电源供电模块、电机伺服及电流 反馈模块、信号I/O口模块、信号反馈模块、通讯模块。各个模块功能如下: 电源供电模块:提供主电源电压(12V"-'95V),并有一个可选的辅助电压(12V~
95V)。

电机伺服及电流反馈模块:与电机的绕组连接,并进行电流监测。 信号I/O口模块:完全数字化控制,与控制器数据交换。 信号反馈模块:接收编码器、旋变、霍尔等反馈信号 通讯模块:与控制器进行串口、CAN通信。
32

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

3.1.6换档控制模块 在本次设计中,考虑到机器人在爬坡时需要更大的力矩,以便能让机器人顺利的 完成爬坡任务,机械结构上采用了两档控制的方法,即平地使用高速档,爬坡使用低 速档。两个档位相互切换是通过步进电机来完成实现的。 步进电机控制模块分为三部分:步进电机、驱动器和位置检测单元。DSP2812的 101:3发出脉冲,通过步进电机驱动器按一定的次序加在步进电机的绕组上。当步进电 机驱动器接收到一个脉冲信号,就驱动步进电机按设定的方向转动一个很小的角度, 称为步进角,通过控制发给驱动器脉冲的个数从而达到准确定位的目的,以完成精确 换档。与此同时,控制脉冲的频率可以实现电机转动的速度和加速度,实现调速。 步进电机采用两相四线制,步进电机性能参数如下:额定电压+24V、额定电流 1.5A、额定转矩0.23Nm,步进电机的动力电+24V独立于车体和云台运动控制系统的供 电,由电源管理子系统单独提供。下面设计了三个驱动方案,并相继论述其可靠性,
并作出方案选择。

(1)方案一:A3977步进电机驱动 A3977是Allegro公司的一款步迸电机驱动芯片,主要针对双极性步进电机进行驱
动,并能够对步距角进行细分。该芯片还具有电流延时控制功能,这能减少电机的噪

声、增加每步的精确性以及降低功耗。芯片内部同时包含过温保护、欠压保护和尖峰
电流保护,对上电时序没有特殊的要求。 由A3977构成的步进电机驱动电路如图3.13所示。

图3.13

A3977夕b围接口图

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

DSP2812与A3977之间的信号交流包括: STEP:每DSP2812传输给A3977一个从低变高的阶跃信号都会引起步进电机的一 个角度增量。 MSl、MS2:A3977步距角细分输入端。可细分为全步、1/2步、1/4步、1/8步。 DIR:步进电机的转动方向。 由于DSP2812是3.3V器件,而A3977逻辑电平是5V供电,所以在上面四个信号之 间加一个74HCl4芯片增强信号的驱动。’ (2)方案二:L298N步进电机驱动 L298N是一款能够兼容TTL电平并且能有驱动直流电机、步进电机的高电压、双 全桥集成芯片。该芯片有两个独立于输入信号的使能端,可以控制芯片的使能或者禁 止。具有独立的逻辑电供电方式,可以在低电压下供电。由A3977构成的步进电机驱 动电路如图3.14和图3.15所示。

图3.14步进电机脉冲光耦隔离
+lzV


0Un

k饕一 【盟? k器?
aUl2 OU乃 a盯r4


Diode

】 【D5】 [D6】 【D7】
Dio出
Diode Dio出

DB Di0‘k

~一 一 吼一Ⅳ 苣|一∞ Ⅳ一眦 Ⅳ一烈 一

●一2,4—5678—9一mn他B—H一体

泓㈣一诵肌瞰星;∞懈踯鼬肌仰一∞
L299N

图3.15

L298N构成的全桥

在图3.14中,DSP2812的事件管璐rEVA发出换档驱动脉冲(INl,---,IN4),输入到光
耦TLP521-4中,经过信号隔离的驱动信号(TRl---,TR4)输入到L298N中,通过由八个二 极管(12,,14007)构成的桥电路驱动步进电机。 在图3.14#,4个二极管一方面可以显示光耦内部通断,指示出换档驱动脉冲的高
34

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

低电平,另一方面由于TMS320F2812是3.3V器件,可以抬升1.7"-"1.8V电压,一有效的控~ 制光耦内部发光二极管的通断。当光耦导通时:

欠:—5V-—1.8V=320f2
10mA

(3)方案三:BTS7960步进电机驱动

BTS7960是一款大电流高度集成半桥驱动芯片。该驱动芯片的主要特性有:逻辑 电平输入、电流检测与诊断、转换速率调整以及死区、过压、欠压、过流的保护。
芯片BTS7960的攻引脚输入电压+24V,其外围电路的控制电+5V由芯片LM2940

提供,LM2940相对于其他电源芯片(如7805、LM317)具有更宽的电压输入范围、并且 噪声非常低、高精度、极低漏电流,有更好的稳压特性(在输入电压变化较大时)。具
体的驱动电路如图3.16所示。

蔫怎
Dom
图3.16

陌Fi卜业
l墨竺卜lL]

旧三缸

∞鼢
BTS7960步进电机驱动图

在图3.16中,11PWM+、llPWM.、21PWM+、21PWM.分别是来自DSP2812的换

档驱动脉冲信号,四片BTS7960构成两个全桥,输出分别接到步进电机的4根绕组线上。
BTS7960的其他引脚说明如下: INH:Inhibit。当引脚为低电平时,芯片进入睡眠模式,在本设计中通过电阻上拉 到5V。

SR:变换速率,可以通过SR和地之间的电阻改变电平变换的速率。 IS:电流传感器和错误标志输出引脚。
(4)方案对比

针对上面这三种方案,将三种驱动芯片的性能指标与实际驱动时的优缺点进行比
较,如表3.9所示。
35

3履带式移动机器^运动控箭系统∞硬件设计

硕±论文

表3 9三种驱动方案对比表

性能指标
最大电源电压(v)

A3977 35 ±2 5

L298N 50
2 5~3

晟大输出电流(^) 工作温度范围(。C) 外围电路复t}程度
驱动电路优点

之5~?135

复杂

较复杂
价格便宜、电压输^范 围大 芯片发热较大、需要加 散热片

简单 能承受丈电流、外围 电路简单 芯片只集成了一个驱 动半桥.相对需裴芯

步距角可以细分、能
实现精确控制 外围电路复杂:保护

驱动电路缺点

和诊断不太可靠;对 外围器件匹配要求高

片数量增加

从上表可以看出,BIS7960的性能要明显优于前两款。在调试过程中,步进电机 有时会堵转,BTS7960芯片在没有外郁散热的情况下芯片表面没有过热的现象,表现 出很强的驱动性能。而L298N芯片在长时间工作时芯片表面发烫,甚至导致芯片烧毁。 通过以上的论述,最终选定BTS7960的步进电机驱动方案。 步进电机驱动板实物图如图3.17,637示。

图3



7步进电机驱动板实物图

图3 17中,步进电机驱动板通过上下两排插针与DSP2812核心控制板进行信号连

接,并在电路板两边加入机械孔使之与DSP2812核心控制板可靠固定。

3.2云台运动控制单元硬件设计
3.2

1云台运动控制单元整体结构 履带式移动机器人云台是机器人完成任务的关键部件,是否能够对它精确地控制

直接影响到机器人工作的质量和效率。机器人云台的精度控制由两方面采决定:首先, 机械精度要在一定的范围内.空回、齿轮间隙势等不利因素必会增加控制的难度:其
36

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

次,需要高精度的位置传感器和轴角解算芯片,没有高精度的测量仪器和控制芯片也 不会达到相应的精度要求。 在本次设计中,要求云台能够在方位和俯仰以18。/s的速度运动,并且静态定位精 度达到0.10。根据云台的机械结构,使用两个Maxon EC?MAX 40电机驱动云台的机械 结构使云台系统能按要求在方位和俯仰方向上运动。云台运动控制系统板和车体运动 控制系统板分左右放置在MAXON EC45电机上方。云台运动控制板大小为
18cmx22cm。

具体的云台运动控制板的硬件连接方式如图3.18所示。

图3.18云台运动控制板便件连接图

从功能上来说,云台运动控制系统可以分为以下几个部分:DSP2812核心控制模块、 电源转换模块、通信模块、电机驱动模块、轴角解算模块。 电源转换模块为整个运动控制单元提供稳定可靠的电源,13SP2812核心控制模块是 云台运动控制单元的核心,它的主要任务是搜集系统反馈信息、通过通信模块给电机 驱动器提供有效实时的控制量、接收轴角解算模块的实时数据并实现位置闭环控制, 电机驱动模块通过机械传动为移动机器人云台提供动力支持。
37

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

云台控制系统的时钟电路、复位电路、通信模块、.皂机驱动模块与车体运动控制 单元相差不大,下面就不再重复说明。 3.2.2云台核心控制模块 云台运动控制单元的DSP2812夕]-部IOn[脚根据功能需求分配为以下几个部分: (1)GPIOF8,--'GPIOFl3.作为LED状态指示灯的输入引脚(灌电流时LED指示灯亮)。 (2)GPIOA0,--,GPIOAl 5、GPIOFO~GPIOF3:位置检测模块信号控制引脚。 (3)GPIOBO~GPIOBl6:位置检测模块解算出的数字量输入引脚。 3.2.3云台控制单元电源转换模块 在本次设计中,电源控制板给云台运动控制板提供两种电源:一为+36V动力电, 直接为驱动器供电;另一个为+18V、1.5A控制电,为运动控制板上器件提供电源。在 设计过程中,控制芯片需要以下四种电源,分别为:5V、3.3V、1.8V、±12V。由前 面三种电源供电的芯片功耗如表3.10所示。
表3.10云台运动控制板芯片功耗(一)
芯片名称
TMS320F28 1 2
TP¥767D30 l SP3232EEN SN65HVD230 74LVT245 AD2383 TP¥3838K33DBV

功耗(m、聊
714
1780 330 99 330 7.5 50

数量
1 l 1 1 2 4 l

说明

发放所有内部时钟与DSP复用功能
3.3V、1.8V弓1脚输出电流333mA、420mA 3.3V芯片,最大功耗 3.3V芯片,最大功耗

3.3V芯片,最大功耗 有引脚需5V供电
5V芯片,最大功耗

结合上表,可以粗略估算出使用5V、3.3V、1.8V供电芯片的总功耗为3.663W。为 了留有裕量,选择MORNSUN公司的VRBl205MP.8W作为电源模块,将+1 8V转为5V。 同时,在本次设计中还有5款芯片是由±12V供电,这几款芯片的最大功耗如表3.11 所示。
表3.1


云台运动控制板芯片最大功耗(--) 功耗(mW)
552 480

芯片名称
AD2S83 XR8038

数量
4 1 1 l 2

LF353 OPA548 LF347
38

156
8000

2“

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

结合上表的粗略估计,可以计算出以上芯片的总功耗为11.4W左右,为留有裕量, 考虑使用电源模块VRA LD.15W将+18V转为4-12V。VRA LD.15W是一款宽电压输 入、高效率的电源模块,能够隔离电压达到1500VDC,金属六面屏蔽封装,具有过流
保护、短路保护等功能【49】。

3.2.4云台位置检测模块 云台运动控制单元中,需要实时地检测电机转子与定子的相对位置和和实时速度, 以实现速度及位置的闭环控制。常用的检测方法为光电编码器或旋转变压器。由于后 者具有坚固耐用、抗冲击性好、抗干扰能力强等优点,经常用于对抗震要求较高的场 合,但由于旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号,并且又需要外加励磁信号, 故必须将其输出的模拟位置信息转换为数字信号,才可以输入到单片机或者DSP等控

制芯片。AD2S83是一种专用的跟踪式旋转变压器.数字转换器(I①C),能够与旋转变压
器相配合,再不需要任何编程的情况下,可以输出不同分辨率的位置信号,同时采用 比特率跟踪转换方式,使其得到的数据几乎没有延时,具有较大的抗干扰能力。 (1)位置检测电路组成 位置检测单元主要由正弦波发生器、旋转变压器、放大器和AD2S83构成。正弦波 发生器产生畸变率小于1%的正弦波,分别作为旋变的正弦励磁和AD2S83的参考信号 输入。由旋变输出的正余弦波分别经放大至合适幅值后送入AD2S83。AD2S83将正余
弦波转换后得到位置信号、转速信号及转速方向信号,并将它们送到锁存器,提供给 DSP2812。具体的位置检测电路如图3.19所示。

正弦


发 波器一 一一

一弦生一

..广

I叫1一一一
参信 考号

一垤 放

照输?
数字解算芯片x2 电平转换 电平转换

旋转变压器

正弦 激励 旋转变压器

运放I l运放

电平转换



电平转换

控制

图3.19位置检测电路

(2)励磁电路
39

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

励磁电路主要通过信曼发生芯片产生400Hz正弦信号,一方面为旋转变压器提供 励磁信号,另一方面为RDC芯片提供参考信号。XR-8038是一款能产生正弦波、三角 波、锯齿波以及方波的芯片,它有外部调节电阻能保证精度随温度变化影响很小,并 且通过外部元器件的匹配生成的波形频率能从0.001Hz至U200KHz。由Ⅺ己.8038构成的 400HZ正弦波励磁电路如图3.20所示。
.12V霉-1磐_1
+12v



疆 埽寄
图3.20

予℃




SWA



SWO
FSI

400HZ励磁电路

其中,引脚SWA为波形频率调整引脚;引脚FB、FSI为波形形状调整引脚;DCFA 为占空比调节引脚。从SWO引脚输出400HZ正弦波,波形的整定通过外围可调电阻进 行微调。 (3)旋转变压器 旋转变压器是控制系统中一种精密微控制电机,它按照电磁感应原理工作,通过 定子和转子上的绕组,彼此相互耦合,在外加单相交流励磁电压时,在其副侧会输出 与转子角度严格保持某种函数关系的电压。若励磁电压可以表示为U,=U『j,|sinco?f, 则正交的A、B两相绕组中感应的电动势为:
e_=E埘cos0

sin(co?t+a)

e丑=玩sin0 sin(co?f+Q)
其中,e为旋变的自转角,仅为次级电动势与初级励磁电压之间的相位角。 旋转变压器选用的是XXX研究所的无刷双通道旋变,电气误差均能符合所需的精 度要求。
(4)AD2S83 AD2S83是美国AD公司推出的以BIMOS lit艺制造的,将高精度双极线性电路与

先进CMOS逻辑电路将结合的单片集成电路。它功耗低、输出分辨率可以设置为10, 12,14,16位,并具有速度输出信号为用户作为速度反馈信号使用【25】【471。AD2S83内 部结构如图3.21所示。 由于AD2S83在把旋转变压器信号转换为二进制数时,采用比率式跟踪方法,输出
40

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

数字角仅与SIN和COS输入信号有关,而频率变化对转换精度没有太大的影响,所以对 于振荡器产生的参考信号即使稳定性和精确度不高,仍能保证精确度。另外,它抑制 噪声、谐波的能力强。AD2S83最突出的优点在于它可有用户选择相应的参数来优化整
个系统的性能。

射N S绉口ND

CoS GND

图3.21

AD2S83内部结构图

在图3.20中,AD2S83变换器的控制信号的说明如下【47】【75】: INHIBIT输入:INHIBIT信号是用来禁止可逆计数器将数据传送给输出锁存器,不 影响跟踪环的工作。当INHIBIT为低电平后,经过490ns,可以配合ENABLE引脚的低 电平将数据传输到DSP2812。传输完毕后需将INHIBIT置成高电平以使锁存器能被刷 新,同时会自动产生一个BUSY信号,并刷新输出数据。 ENABLE输入:ENABLE信号决定了数据输出的状态。低电平时,允许将锁存器 中的数据传送至输出引脚上;高电平时,输出数据引脚保持在高阻状态。
BYTE

SELECT输入:无论该引脚是高电平还是低电平,当ENABLE引脚为低电平

时,低位字节将出现在数据输出引脚DB9.DBl6上。当BYTE SELECT为低电平时,低 8位字节将出现在数据输出引脚DBl.DB8上,同时它们也出现在DB9.DBl6上;当BYTE SELECT为高电平时,高8位字节将出现在数据输出引脚DBl.DB8上。 具体的控制时序如图3.22所示。

41

3履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计

硕士论文

=一
图3
22

AD2S83控制时序

DSP2812读取AD2S83的过程:首先对AD2S83的INHIBIT;l脚输入低电平,阻止锁 存器的刷新,当1NFIIBIT被置为低后的490ns后数据有效,把ENABLE信号置为低电平 后,即可读取数据。读完数据后,立即复位INHIBIT信号,把它置为高电平,使输出 锁存器能被刷新。 轴角转换硬件电路板如图3 23所示。

圈3 23轴角转换硬件电路板

图3 23中,DIP封装芯片为正弦波发生器XR8038,通过改变周围的可变电阻可以调

节输出波形形状和频率;由于OPA548有较大的发热量,采用四周填充的方式可以有助 于芯片的散热:考虑到AD2S93A芯片价格比较昂贵,采用芯片座PLCC44焊接至电路 板,当电路板发生故障时可以将芯片取下。

3.3硬件系统测试与分析
完成了运动控制系统的总体设计、原理设计、PcB制作之后,需要测试硬件电路 板的性能.包括各个硬件模块是否工作、电路设计是否合理、各个子模块之间的数据 传输是否正常等。

硕±论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

3.3.1电源、复位与系统时钟测试 (1)系统电源供电 在整个运动控制电路板上的电子元器件焊接完成之后,首先要羽4试电路板的电源 供电是否正常,给DSP2812芯片的控制电是否稳定。经过示波器测试,DSP2812芯片 内核电压为1.89V、I/O端口为3,31V,电源纹波较小。 (2)复位测试 系统上电后,芯片TPS767D301的复位脚在140ms-280ms后会给一个高电平的复位 信号蛤DsP2812复位。经过测试,DSP2812在上电后能够有效地进行复位操作。 (3)时钟测试 时钟测试主要是测试DSP芯片外部晶振频率是否准确、稳定。经过示波器测试, 外部晶振颁率正常且稳定,DSP2812外部时钟晶振频率如图3 24所示。


甍普墓裂
图3 24外部时钟晶振酒试图
33.2

cAH总线通信测试 cAN通信是整个运动控制系统的关键所在,能否可靠的接受与发送信号关系到整

个系统的可靠性。将运动控制板安装在机器人的箱体内,观测CAN总线上有数据传输 时的游形.如图3.25所示。

一一:.j—-??-一一


取消自

动设置
。1

Jk

一。

图3 25数据传辖时cAN总线波形图

3履带式移功机器^运自挣制系统的硬件设计

硕士论文

再分别测试DsP2812cAN发送引脚与接收引脚的波形,如图3 26和图3 27所示。

图3

28

XR8038信号输出波形图

图3 29旋转变压器励磁波形图

从图3 28和图3 29中可以看出,XR8038芯片4001-1z输出信号与经过放大后的正弦励

磁信号频率稳定且波形完整,能够满足系统设计要求。 由方位旋转变压器反馈给芯片AD2S83的精机与耦机正余弦信号分别如图
3 30--3

33所示。由于俯仰旋转变压器型号与方位旋转变压器相同,这里就不再给出俯

仰旋转变压嚣反馈给芯片AD2S93的正余弦信号

碰±论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

N3 30旋转变压器精机反馈余弦信号

阁3 31旋转变爪器精机反馈正弦信

圉3 32旋转变压器粗机反馈余弦信号

图3 33旋转变压器粗机反馈正弦信号

通过分析图3.3¨图3.33,旋转变压器反馈的正余弦信号稳定,并且投有较大干扰。
经测试,AD2S83芯片能够正常读取位置旋转变压器反馈信号并加以解算。 经过整个硬件系统测试,各个硬件模块能够正常工作,而且整个运动控制系统信 号间的传输没有延时或者干扰,可以保证硬件能够稳定而且可靠的工作。

3.4本章小结
本章给出了履带式移动机器人运动控制系统中车体和云台两太运动控制单元的硬 件设计总体方案和实现方法,重点详细地说明了中央控制模块、电源转换模块、通信 模块、换档控制模块、位置检测模块的电路设计原理,对其中器件的选型、性能分析 及其实现做出r详细的说明,最后对系统硬件的相关模块进行了测试,满足了系统设 计要求。以下章节,将基于硬件运动控制系统对控制软件的设计加以说明。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计 4.1履带式移动机器人运动控制系统软件开发环境简介
在软件开发领域,所使用到的计算机语言从低级到高级依次有汇编语言、C语言、

C*、JAVA等。其中,在嵌入式系统开发领域所使用的最主要的就是C语言。C语言
代码经过编译和汇编之后,转换为目标处理器所识别的机器代码,能够在目标处理器 上运行。在本次设计中,软件程序结合硬件仿真器XDS510,在CCS3.3环境下使用C 语言编写。 CCS3.3系统开发环境是TI公司为用户提供的实时开发工具,在CCS3.3集成开发环 境开发软件时,一般分为以下几个步骤:应用设计、代码编辑、编译和连接、调试和
分析整理162J,如图4.1所示。
应用设计

编辑源代码建立相关 的配置和工程文件

调试(使用单步、断 点深针等)

分析和调整

图4.1

CCS集成开发环境开发软件调试过程
Test

JTAG调试是嵌入式系统中一种常用的硬件调试方法。JTAG全称为Joint
ActionGroup,IEEE

1149.1标准即是由JTAG这个组织最初提出的,最终由IEEE批准并


且标准化的。因此,IEEE
XDS5 1

149.1这个标准一般也称为JTAG调试标准【351。

0硬件仿真器就是这样一个硬件平台,它与CCS开发环境相配合,能实现系

统的调试工作。XDS510支持美国德州仪器公司TI的DSP器件的调试和开发,它的突出 特点如下【26J:

(1)通用性:对不同型号的DSP芯片,只需更改不同DSP开发环境的配置以及与之 相应的仿真器驱动,就可以实现多款DSP的仿真与调试。同时XDS510硬件仿真 器均支持汇编语言与C语言的混合调试。 (2)可靠性:XDS510硬件仿真器采用超大规模集成电路技术,具有强大的功能和
47

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

可靠的性能,同时仿真头曼仿真控制板之间有多级缓冲驱动设计,增强了系统
的可靠性与安全性。 (3)支持多片调试:支持多DSP调试,当DSP系统设计有多个CPU匾j时工作时,该 仿真器配上多CPU调试软件,就可以对它们进行并行调试和开发了。

4.2车体运动控制单元软件设计
4.2.1车体运动控制单元软件流程 根据履带式移动机器人的设计要求,针对车体运动控制板,设计相应的控制软件, 以实现对履带式移动机器人的车体运动控制和换档控制。 结合履带式移动机器人的整体设计方案,运动控制软件必须能与ARM主控单元通 过CAN总线通讯,并且能够根据通信协议把ARM主控单元发过来的指令转换为控制指 令,能实时地对机器人车体进行速度控制和换档控制。为了实现上述功能,在设计时 对控制软件进行了模块化的设计方法,将控制程序按照功能进行划分,分别作为各个 子函数进行调用,这样有利于每个模块的单独设计和调试,减小软件的复杂度,并且 可以缩短程序设计周期。 车体运动控制单元的主要调用的函数有:DSP2812初始化函数、车体驱动器初始 化函数、ARM主控单元控制指令解析函数、车体运动控制执行程序函数和电机换档控 制函数。车体运动控制软件主要完成系统的初始化、驱动器的初始化、控制指令的转 换、接收反馈信号以及按时序输出换档驱动脉冲信号。 车体运动控制软件的主程序流程图如图4.2所示。

图4.2主程序流程图

初始化程序只执行一次,完成DSP2812以及Elmo驱动器的配置,主程序通过不断 运行控制程序来实现系统要求。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

4.2.2基于CANopen协议的电机控制 在本次设计中,上位机ARM主控单元、车体运动控制单元DSP2812、云台运动控

制单元DSP2812以及四个Elmo电机驱动器都是挂载在CAN总线上,因此,CAN通信在
本次设计中起到了关键性的纽带的作用。为此,现对CAN总线详细加以说明。
4.2.2.1 CAN

2.0B标准概述

(1)CAN总线的物理连接[621 CAN总线的物理连接关系符合ISOll898协议。ISOll898是一种高速的通信协议, 最高通信速度可以达至JlMbps,总线最大长度可达至sJ40m/1Mbps,连接单元数最大可 达N30个。CAN总线通信速率与传输距离的关系如图4.3所示。
传输距离(m

130

40

室(bps)

图4.3

CAN总线通信速率与传输距离关系图

CAN总线的物理连接关系和电平特性如图4.4所示。
电压~

3.5 2.5 1.5

时间 图4.4 CAN总线上节点的物理连接与电平特性

(2)CAN总线协议
CAN总线是一个较为开放的通信网络,特别适合于小型的现场控制。CAN总线只
49

4履带式移动机器凡运动控制系统的较件设计

硕±论文

用]"OSI七层模型中的3层:物理层、数据链跷最塑应用层。物理层协议和数据链路层
协议为CAN总线的基本协议,而其他的4层协议的功能一般通过软件实现。不过复杂 的协议结构也会导或CAN总线上的信息传输速率变慢。

CAN总线采用的通信模式为“载波检测,多主掌控胂突避免”。这种总线仲裁方
式允许总线上的任何一个设各都可获得总线控制权并向别的设备发送数据。如果在同 一时刻有2个或者2个以上的设备发送消息,就会产生总线冲突,CAN总线能够实时监 测冲突并进行仲裁,从而使得具有高优先级的数据可以没有任何延时地传输。 f3)CAN总线的数据格式[621
CAN2

0B总线规范定义了2种不同的数据格式(标准帧和扩展帧),其主要区另Ⅱ在于

标识符域的长度不同;标准帧有11位的标识符,扩展帧有29位的标识符,CAN总线的 标准数据帧的长度是44~108位,而扩展帧的长度是64~128位。根据数据流的代码不 同,标准数据帧可以插入23位填充位,扩展数据帧可以插入28位填充位。因此,标准 数据帧最长为131位,扩展数据帧最长为156位。图4 5给出了标准数据帧格式。
■《# #t&∞啊&t∞t
cRc&

AC.K!gt桂靖l

撇阻 ”i 口t|m…m1 F 讯riil



1n



cRcsⅫ。。|.






‘糟∞Kg口)

I.

网刊} I t|0.叫l,s l, 玉
圈4 5标准数据帧格式

图4 5中给出了构成标准数据帧各位在整个数据帧中的位置,根据标准数据帧格式

可以在软件编程的过程中合理地编写初始化代码和CAN总线控制程序。


2.22CANopcn高层协议

(1)CANopen协议简介 CANopen协议是在20世纪90年代末,由cIA组织(cAN.in-AutomatioⅡ)在CAI.(CAL
Application

Layer)的基础上笈展而来,一经推出便在欧洲得到了广泛的认可和应用。

经过对CANoI弛n协议规范文本的多次修改,使得CANopen扫J,议的稳定性、实时性、抗 干扰性都得到了进一步的提高。并且CIA在各个行业不断推出设各电子,使CANopen 协议在各个行业得到更快的发展与推广。CANot话n设备结构如图4 6所示。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

@? -@ -@? .局赢狲.
CANBUS系统

}入口l I i A.I]2 l

-⑨
-<竺望翌至)?

入口n

7\\竺兰/
图4.6

-@?
进程

CANopen设备结构

CANopen协议通常分为用户应用层、对象字典、以及通讯三个部分。其中对象字 典是CANopen的核心,它定义-TCANopen协议通讯规则以及与CAN控制器驱动之间对 应关系,而用户对象层是用户根据实际的需求编写的应用对象。 (2)CANopen对象字典【24】 CANopen中的对象字典就是一个有序的对象组,对象组中的每一个对象使用一个 16位的索引值来寻址,其范围在Oxl000到0x9FFF之间,这个索引值称为索引。同时也 定义了一个8位的索引值,能够访问数据结构中的单个元素,这个索引值通常被称为子 索引。 每个CANopen设备都有一个对象字典,对象字典包含了其网络行为和描述这个设 备的所有参数,这些参数通常用电子数据文档来记录。对于CANopen网络中的主节点 来说,不需要对CANopenl网络中从节点的每个对象字典项都访问。 DS301是CANopen协议中的核心描述子协议,其包括TCANopen通信结构与协议 应用层的描述,其他的协议或者子协议都是对DS301协议的扩展与补充【141。其主要划 分为以下三类: 1)通讯子协议 描述对象字典的主要形式和对象字典中的通讯对象以及参数。这个子协议适用所 有的CANopen网络中的设备。 2)制造商自定义协议 对于设备子协议中未定义的特殊功能,可以根据需求在此区域定义对象字典中的 对象。因此对于不同的厂商来说,这个区域中相同的对象字典项其定义不一定相
同。

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

3)设备子协议 为各种不同类型的设备定义对象字典中的对象,目前已有十几种不同类型的设备 定义的子协议。 (3)CANopen通讯 在CANopen协议中主要定义了管理报文对象NMT(Network Management)、服务数 据对象SDO(Service 1)管理报文NMT 管理报文负责ID分配服务和网络管理。例如:初始化、配置和网络管理。 2)服务数据对象SDO SDO主要用于CANopen网络中主节点对从节点的参数配置。SDO的最大的特点是 服务确认,为了确保数据传输的准确性,每个消息都生成一个应答。 3)过程数据对象PDO PDO用来传输实时的数据信息。 4)预定义报文或特殊功能对象 预定义报文或特殊功能对象为CANopen设备提供特定的功能,方便CANopen主站 对从站的管理。
4.2.2.3 Data

Object)、过程数据对象PDO(Process

Data

Object)、预定义报文

或特殊功能对象等四种对象【州。

Hornet的管理报文

Hornet是一款完全支持CANopen协议的驱动器,并且兼容CiA的DS301标准。 CANopen@的管理报文指令可以用来控锘JJHomet驱动器的通讯状态并且以广播的形式 向其他驱动器发送自身信息。在初始化过程中,Homet3£持扩展的Boot-up,也支持最 小化的Boot.up过程。可以用节点状态转换图表示Hornet初始化过程,如图4.7所示。
上电

图4.7

Hornet初始化节点转换图

图中括号内的字母表示处于不同状态时哪些通讯对象可以使用。
a.NMT,b.Node Guard,c.SDO,d.Emergency,e.PDO,£Boot-up
52

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

初始化状态:驱动器还未准备好或者正在自检。驱动器在此刻不回应答通信消息 也不会往CAN总线上传输数据。 预运行状态:驱动器自检程序完成,但是还没有接收操作指令进入操作模式。此 时驱动器可以应答SDO和NMT信息,但是不能应答PDO信息。 操作模式:驱动器完全处于运行状态,能够应答PDO、SDO和NMT信息。 停止状态:驱动器仅能应答NMT信息和heartbeats。 另外,1~5由NMT服务发起状态转移,NMT命令字在括号中: 1:Stm't_Remote_node(0x01)
2:Stop Remote

Node(0x02)

3:Emer_Pre—Operational_State(0x80)
4:Reset

Node(0x8 1)

5:Reset__Communieation(0x82)

6:驱动器初始化结束,自动进入预操作状态,发送Boot-up消息。 在任何时候NIⅥT月艮务都可以使所有或者部分节点设备进入不同的工作状态。NMT 服务的CAN报文由CAN头(COB.ID=O)和两字节数据组成:第一个字节表示请求的服务 类型,第二个字节是节点ID或者O(所有节点)。NMT服务可以以DSP2812为主节点来控 制驱动器的工作状态。 4.2.3车体运动控制单元初始化 系统初始化包括两个部分:TMS320F2812初始化和驱动器初始化。TMS320F28 12 初始化是对芯片内部各部分资源进行初始化配置,包括初始化DSP内核寄存器、初始 化101=1、初始化中断等。驱动器初始化主要是应用TCANopen协议将驱动器进入运行 状态。具体的初始化流程图如图4.8所示。




初始化外设中 断扩展向量表

初始化DSP内 核寄存器

二[ 二[
碉始化NMT 初始化EVA、
EVB

..............:I!........~
初始化lO口 初始化所有外 设


初始化PDO 设置电机运行 模式

二工二
初始化外设中 断扩展单元 初始化中断服 务程序

二工二
电机启动

(塑塑垡箜壅
图4.8 TMS320F2812系统初始化

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

(1)初始化DSPI为核鸯在器一 初始化PLL,设置锁相环控制寄存器PLLCR为0xA,即将外部时钟频率5倍频;设 置高、低速的外设时钟频率,HSPCLK=001、LSPCLK=010,即分别为SYSCLKOUT 频率的1/2和1/4:使能使用的外设时钟,对于不用的外设关闭时钟,降低系统功耗。 (2)初始化IO口 设置DSP夕b部IOH的功能选择,如使用的是IO模式,设置IO口的输入输出方向。 (3)初始化外设中断扩展单元 先禁止PIE单元,清除所有PIEIER寄存器,最后使能PIE单元 (4)初始化中断向量表 系统中PIE中断向量表所表示的是每个中断服务程序的地址,每个中断都有自己的 中断向量,所以在初始化时,要重新定位中断向量表,以使中断响应能够准确的进入 中断服务子程序。 (5)初始化事件管理器B 设置相关的寄存器,为输出换档驱动脉冲提供计时和定时功能。 (6)初始化相关外设 初始化ECAN模块,具体过程如图4.9所示。

厂肃

配置GPl0引脚工 作在ECAN功能

清除所有中断 标志位

配置CANTX和CANRX 作为CAN通信引脚

使能邮箱中断


配置邮箱方向 寄存器 设置传输字节 长度


l配置CAN的工I





作方式






置CCR芦l

设置发送优先 级



二二[
清除所有发送响应 位、挂起接受消息位

初始化所有主设备 控制区域为0

向CANBTC和CANGAM 写配置信

使能所有邮箱

当CCE=O,CAN模 屏蔽所有邮箱


块配置完成


图4.9初始J比ECAN模块

结束



(7)初始化终端服务程序 设置中断服务程序入口地址,配置CPU.Timer0周期,开放相关中断。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

(8)初始化NMT NMT初始化流程如图4.10所示。

图4.10
DSP28

NMT初始化流程图

12作为NMT的主节点传送NMT调制控制报文,驱动器支持MⅥT模块控制服

务,并且NMT调制控制消息不需要应答。NMT消息格式如表4.1所示:
表4.1
COB.ID
Ox000

NMT控制协议表
B”e0
CS Bytel

Node—D

当Node.ID=0,则所有的NMT从设备被寻址。其中,CS是命令字,可以取值如表
4.2所示。
表4.2 命令字
1 2

NMT中CS取值表 NMT服务
Start Remote Node Stop Remote Node

128
129 130

Enter Pre-operational State
Reset Node

Reset Communication

DSP2812初始化所有从节点(即两个电机驱动器),需要将所有节点都初始化,即从 预工作状态转为工作状态,所以命令字CS=I,Node—ID=0。具体代码如下:
ECanaMboxes.MBOX0.MDRL.all;0x0000000 1; ECanaMboxes.MBOX0.MDRH.all;0x00000000;
55

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

(1 0)PDO初始化

PDO初始化流程如图4.11所示。

图4.11

PDO初始化流程图

(11)设置电机运行模式与电机启动 控制电机运行模式以及启动停止的指令表如表4.3和4.4所示【17】。
表4.3运动控制器运行模式配置表 UM值
1 2

运行模式 转矩控制模式 速度控制模式 微步进模式

描述(相关的命令)

电机电流命令直接由Tc软件命令或模拟参考值设置。 电机速度命令由Ⅳ程序持续命令或模拟值信号直接设置。 使用位置命令控制电场角度,电机电流由TC命令或模拟信号 控制,不进行任何整流换相。





双反馈位置模式

位置控制器稳定辅助反馈输入的位置。该位置控制器对内部 速度控制循环发出一个电机速度命令,该内部速度控制循环 从主反馈输入获取它的速度反馈。



单回路位置模式

位置控制器稳定主反馈输入的位置,位置命令由软件命令累 计,并且来自一个外部命令。

表4.4运动控制器电机启动/禁用配置表
MO


电机电源 禁止

描述(相关的命令)

电机被禁止工作,电机驱动进入空闲状态,功率放大器被禁
止,电机电路没有电流流动。

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

伺服驱动器处于工作状态,驱动电机,同时激活并执行程序


启动

己编程的运动。相应的软件不断测试运行条件,保证电机正 常工作。

本次设计中,车体运动控制系统对速度要求较高,应使驱动器工作在速度控制式 下,具体软件编程为: SendPD02ForElmoDLC(0x00004D55,0x00000002,8);//速度控制模式 SendPD02ForElmoDLC(0x00004F4D,Ox00000001,8);//启动电机 其中,0x00004D55和0x00004F4D分别为UM和MO的命令字。 4.2.4车体控制指令解析与执行 (1)控制指令解析 履带式移动机器人运动控制系统与上位机通过CAN总线连接,上位机ARM主控单 元将控制指令发送到CAN总线上,DSP2812将上位机发来的CAN数据消息解析出来, 再在运动控制程序中对驱动器执行相关操作。具体的软件编程如下: ARM 12=ECanaMboxes.MBOX24.MDRL.bit.LOW WORD;//邮箱低4字节低字
ARM 34=ECanaMboxes.MBOX24.MDRL.bit.HI WORD; ARM 56=ECanaMboxes.MBOX24.MDRH.bit.LOW ARM 78=ECanaMboxes.MBOX24.MDRH.bit.HI WORD;

//邮箱低4字节高字

;DRow.字低节4高箱邮/
//tlj箱高4字节高字

删I=0x00FF&ARM
ARM 2=ARM 1》>8; ARM 4=ARM
34>>8;

12;HARM 1:换档控制命令、速度控制命令、反馈信息 NARM 2:左电机方向

ARM 3=0x00FF&ARM 34;//ARM 3:左电机速度高位 //ARM 4:左电机速度低位

ARM 5=0x00FF&ARM 56;//ARM 5:右电机方向
ARM 6=ARM

56》8:

//ARM 6:右电机速度高位

ARM 7=0x00FF&ARM 78;//ARM 7:右电机速度低位 ARM 8=ARM
78>>8;

//档位状态
8,

通过解析邮箱中的ARM主控单元控制消息,可以将指令分解为ARM 1---,ARM 通过对ARM 1,--,ARM 8的值,下面对驱动器的运动控制进行实现。
_

(2)控制指令执行 运行控制程序根据解析上位机发来的CAN消息,通过给驱动器发相关的控制指令 来对机器人车体进行速度控制。具体的运行控制程序流程图如图4.12所示。

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

图4.12运行控制程序流程图

其中,当ARM 1=I时,为上位机发来换档控制命令:当ARM 1=2时,为上位机 发来速度控制命令;当ARM 1=3时,为上位机发来反馈信息命令。根据不同的ARM


的值,DSP2812执行不同的指令完成相关操作。DSP2812给驱动器发送指令子函数代
码如下:
void

SendPD02ForElmoDLC(int32

PDOSent__L,int32 PDOSent_H,char

MCF DLC)


ECanaMboxes.MBOXO.MCEbit.DLC=MCF_DLC; ECanaMboxes.MBOXO.MDRL.all=PDOSent_L; ECanaMboxes.MBOXO.MDRH.all=PDOSent_H; ECanaMboxes.MBOX2.MCEbit.DLC=MCF_DLC; ECanaMboxes.MBOX2.MDRL.all=PDOSent_L; ECanaMboxes.MBOX2.MDRH.all=PDOSent_H;
ECanaRegs.CANTRS.bit.TRS0=l;

while(ECanaRegs.CANTA.bit.TA0—0);

ECanaRegs.Cj蝌1’A.bit.1'A0=1;
ECanaRegs.CANTRS.bit.TRS2=l;

while(ECanaRegs.CANTA.bit.TA2一O);
ECanaRegs.CANTA.bit.TA2=1;


58

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

4.2.5步进电机换档软件实现 步进电机的换档是通过BTS7960芯片进行驱动,由于所选的步进电机是两相四线 的,驱动芯片又是一个半桥驱动芯片,所以共需要8片BTS7960,也就需要DSP2812有 8+io口发送控制脉冲给驱动芯片。 步进电机的换档状态由变量DIR指示。当DIR-0时,表示上位机发指令将步进电机 切换到低速档状态;当DIR=I时,表示上位机将步进电机切换到高速档状态;当DIR=2 时,表示步进电机不进行操作。具体的步进电机驱动流程图如图4.13所示。

定时器0复位

定时器0计时


务予程序入口

拶 惑
保护现场 步进电机换挡I 恢复现场

定时器0中断服

图4.13步进电机换档流程图

步进电机换档控制是在中断服务子程序中实现。通过定时器0每隔一段时间产生一 个中断源,对DIR的值进行判断,当DIR=0或1时,在中断服务程序中执行换档处理, DSP2812的IO口发出8路换档驱动脉冲给驱动芯片。

4.3云台运动控制单元软件设计
4.3.1云台运动控制单元软件流程 根据履带式移动机器人的设计要求,针对云台运动控制板,设计相应的控制软件, 以实现对履带式移动机器人的云台的速度和位置控制。 与车体运动控制单元类似,云台运动控制单元也采用子函数调用的设计思路。云 台运动控制单元的主要调用的函数有:DSP2812初始化函数、云台驱动器初始化函数、 ARM主控单元控制指令解析函数、云台运动控制执行程序函数和云台位置检测函数。 云台运动控制软件主要完成系统的初始化、驱动器的初始化、控制指令的转换、 接收反馈信号以及接收云台控制单元的位置信号。云台软件的执行流程图如图4.14所
59

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

不。

图4.14云台运动控制系统主程序流程图

初始化程序只执行一次,完成DSP2812以及Elmo驱动器的初始化配置,配置电机 运行模式以及电机的启动,主程序通过不断运行控制程序来实现系统控制要求。 4.3.2云台运动控制单元初始化 云台运动控制系统初始化包括两个部分:TMS320F2812初始化和驱动器初始化。 TMS320F2812初始化是对芯片内部各部分资源进行初始化配置,包括初始化DSP内核 寄存器、初始化IO UI、初始化外设等。驱动器初始化主要是根据CANopen[办议将驱动 器进入运行状态。具体的初始化流程图如图4.15所示。

(,开始]
\ /

1L
初始化eCAN模 块



初始化方位旋 变

l +
初始化DSP P电 核寄存器

l初始化中断服l

务程序


初始化俯仰旋 变








-L
配置定时器0并
启动

初始化lO口


设置电机运行 模式


l初始化外设中 l断扩展单元


初始ttaxa4"r


电机启动


l初始化外设中 I断扩展向量表

1L
初始化PDO



@㈣弓

图4.15云台运动控制系统初始化流程图

(1)初始化DSP内核寄存器

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

初始化PLL,设置锁相环控制寄存器PLLCR为OxA,即将外部时钟频率5倍频;设 置高、低速的外设时钟频率,HSPCLK=001、LSPCLK=010,即分别为SYSCLKOUT 频率的1/2和1/4;禁止看门狗,SysCtrlRegs.WDCR=0x0068;使能使用的外设时钟,
对于不用的外设关闭时钟,降低系统功耗。

(2)初始化10口 对有复用功能的IO口进行功能选择,如使用的是IO模式,设置IO口的输入输出方
向。

(3)初始化外设中断扩展单元 先禁止PIE单元,清除所有PIEIER寄存器,最后使能PIE单元。 (4)初始化中断向量表 系统中PIE中断向量表所表示的是每个中断服务程序的地址,每个中断都有自己的 中断向量,所以在初始化时,要重新定位中断向量表,以使中断响应能够准确的进入 中断服务子程序。 (5)初始化eCAN模块 初始化eCAN模块,具体过程与车体运动控制系统初始化类似,如图4.9所示 (6)初始化终端服务程序 设置中断服务程序入口地址,开放相关中断。 (7)配置定时器0并启动 使能PⅢ内的TINT0,配置IOMHZ的CPU频率,3750ms的中断周期。 (8)初始化NMT、PDO 初始化NMT、PDO与车体运动控制系统类似,初始化流程图如图4.10和4.11所示。 (9)初始化位置旋转变压器 初始化位置旋转变压器流程图如图4.16所示。

图4.16位置旋转变压器初始化流程图
6l

4履带式移动机器入运动控制系统的软件设计

硕士论文

由于机械装配时,旋转变压器的指示位置不可能正好对准它的零刻度线,为此必 须在初始化过程中计算出方位和俯仰旋变的最初位置,在运行过程中根据初始化过程 中所得到的位置信息可以计算出差值来加以控制。 (10)设置点击运行模式和启动电机 根据驱动器Elmo的指令手册,控制电机运行模式以及启动停止的指令表如表4.3 和4.4所示。 本次设计中,云台运动控制系统对位置要求较高,但主要是由高精度旋变进行位 置反馈,对云台的方位以及俯仰的速度也有相应的要求。因此,应使驱动器工作在速 度控制式下,具体软件编程为: SendPD02ForElmoDLC(0x00004D55,0x00000002,8);//速度控制模式 SendPD02ForElmoDLC(0x00004F4D,0x0000000 1,8);//启动电机 其中,0x00004D55和0x00004F4D分别为UM和MO的命令字【141。 4.3.3云台控制指令解析与执行 (1)控制指令解析 履带式移动机器人云台运动控制系统与上位机通过CAN总线连接,上位机ARM主 控单元将控制指令发送到CAN总线上,DSP2812将上位机发来的CAN数据消息解析出 来,再在运动控制程序中对驱动器执行相关操作。具体的软件编程如下:
ARM 12=ECanaMboxes.MBOX24.MDRL.bit.LOW WORD;//l訇lS箱低4字节低字
AR M

34=ECanaMboxes.MBOX24.MDRL.bit.HI WORD;

//1自II箱低4字节高字 ;DROW.字低节4高箱邮/ //tlj箱高4字节高字

ARM 56=ECanaMboxes.MBOX24.MDRH.bit.LOW
ARM 78=ECanaMboxes.MBOX24.MDRH.bit.HI WORD;

A蹦_I=0x00FF&ARM_12;//ARM_I:速度控制命令和反馈命令(ARM_l=2、4)
ARM 2=ARM 1》>8; ARM //ARM 2:方位电机左转或右转

3:方位电机速度高位 _3=0x00FF&ARM.34;HARMARM_4=ARM_34>>8; //ARM一4:方位电机速度中位

ARM_5=0x00FF&ARM_56;//ARM一5.方位电机速度低位 ARM_6=ARM_56>>8;H..MLM一6:俯仰电机上转或下转
ARM_7=0x00FF&ARM 78;HARM一7.俯仰电机速度高位

ARM 8=ARM_78>>8;

//ARM一8-俯仰电机速度低位 通过解析邮箱中的ARM主控单元控制消息,可以将指令分解为ARM_I~ARM_8,通过

对AI虬1~ARM一8的值,下面对驱动器的运动控制进行实现。
(2)控制指令执行 运行控制程序中有两个子控制函数,一个是根据上位机指令对云台的方位以及俯
62

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

仰给予速度控制;另一个是接收解算过的位置旋转变压器的姿态位置信号。具体的软
件编程如下: fo“;;)


RESOLVERO;

ARMORDERPROCESS0;


运行控制程序是一个没有参数的for循环,通过这个循环不断地调用两个子控制函数, 从而达到控制的目的。运行控制程序根据解析上位机发来的CAN消息,通过给驱动器 发相关的控制指令来对机器人车体进行速度控制。具体的运行控制程序流程图如图
4.17所示。

图4.17运行控制程序流程图

其中,当删一1=2时,为上位机发来方位俯仰电机速度控制命令;当A砌吐1=4
时,为上位机发来反馈信息命令。根据不同的ARM 2~剐讣t8的值,发给驱动器不同 的指令完成相关操作。
63

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

DSP2812读取AD2S83的位置信号时,先对AD2S83的NHIBIT引脚输入低电平,阻 止锁存器的刷新,当INHIBIT被置为低后延时490ns将ENABLE信号置为低电平后,即 从GPIOB口读取数据。读完数据后,立即复位INHIBIT信号,把它置为高电平,使输 出锁存器能被刷新,并置ENABLE引脚为高电平,禁止AD2S83芯片。 4.3.4云台位置检测软件实现 轴角转换编码是将双通道旋转变压器的精通道与粗通道分别输出进行轴角转换, 由于精通道与粗通道需要逻辑组合使之完全匹配,通过硬件电路将二进制信号组合为 一路。根据系统要求,方位以及俯仰的最小步距角要达到0.10,则轴角转换分辨率n至 少要达到12。又由旋转变压器发送机技术手册得知:粗与精通道的电气速比为 P:24:16,则每一路集成电路轴角转换的分辨率为珂一m:12—5:8[61165】【75】。 双通道旋转变压器的精通道与粗通道轴角编码组合如下: 粗通道的旋转周期为:0=0—3600,输出权位所对应的角度值如表4.5所示。
表4.5粗通道权位对应表

A B C D E F G H

权(。)

1800
^0

1800 21

1800 22

1800 23

1800 24

1800 25

1800 26

1800 27

精通道的旋转周期为:歹0=o一136F0。,输出权位所对应的角度值如表4.6所示。
表4.6精通道权位对应表 位


b 1800 21+m



d 1800 23+肘



f 1800 25+m



h 1800 27+朋

权(。)

1800 20十肼

1800

1800 24+”

1800 26+埘

22+“

粗、精通道经过RDC芯片输出的权位对应为:E、F、G、H~a、b、c、d。组合逻 辑电路将粗、精通道两路二进制信号组合为一路的状态,如表4.7所示。
表4.7二进制信号组合状态表 位 权
A B

C 29





b 26



d 24







h 20

211

210

28

27

25

23

22

21

组合之后的角度分辨率,即数字最低与最高有效位代表的角度值为:
最低位:LSB=3600x2。12=316.4。

最高位:MSB=360。×2~=1800 通过读取RDC芯片的数字输出值,再结合表4.7lip可计算出云台运动控制系统的当 前方位与俯仰角度。

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

4.4软件系统调试与分析
4.4.1车体运动控制系统的软件调试 车体运动控制系统是一个速度闭环运动控制系统,履带式移动机器入在平路巡航 与起伏路面运行过程中会有不同的速度曲线。下面分别针对以上情况,测试机器人在 满负载运行时的实际运行状态,记录下机器人在运动过程中的速度值,并绘制成机器 人的运动曲线。 车体运动控制系统在平坦路面以最大速度1.5m/s巡航时,绘制出机器人实际速度 与给定速度的曲线图,如图4.18所示。

图4.18平坦路面巡航时速度曲线图

从图4.18中可以看出,机器人在平坦路面上运动时,实际巡航速度能够与给定速 度保持一致,基本能够稳定在给定的速度值周围波动较小,满足系统的控制要求。 当机器人在起伏路面以最大速度巡航时,机器人的速度值会发生相应的变化,绘 制出机器人实际速度与给定速度的曲线图,如图4.19所示。

岔 童 丫 瑙
淄 蝠 烈

图4.19起伏路面巡航时速度曲线图
65

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

从图4二19中可以看出,机器人在起伏路面运动时,实际运动速度会在给定速度周 围上下浮动,但是速度变化也是保持在一定的范围之内,并没有太大的速度突变,也 是在允许的范围内,满足系统设计要求。 通过软件设定驱动器速度模式下不同的P1D控制参数,对于逐渐变化的给定速度 进行实时跟踪测试,当驱动器控制参数设置为(3,1.5,0)时,机器人的实际速度跟踪 曲线如图4.20所示,当驱动器控制参数设置为(2,1,O)时,机器人的实际速度跟踪曲 线如图4.21所示。

图4.20控制参数为(3,1.5,0)时的速度跟踪曲线

图4.21控制参数为(2,1,0)时的速度跟踪曲线

通过调节不同参数值,当驱动器控制参数设置为(3,1.5,0)时机器人能够较好的 跟踪逐渐变化的给定速度值,没有过长的时间延时,满足系统指标要求。 4.4.2云台运动控制系统的软件调试 云台运动控制系统是一个速度和位置闭环运动控制系统,云台不仅要求能达到速 度要求而且也必须能够达到位置精度要求。因此,必须对云台的速度性能与位置精度 分别进行调试,验证其能否达到性能指标。 首先对于云台的速度调试,要求方位方向上6秒转动90度;俯仰方向上6秒转动45 度。调试时,逐渐增大云台的方位速度信号至180/s,使云台在方位方向上以给定速度 运动后逐渐减速停止,其速度运动曲线如图4.22所示。对于俯仰的速度调试相类似, 逐渐增大云台的俯仰速度信号至90/s,使云台在俯仰方向上以给定的速度运动后逐渐 减速停止,绘制出速度跟踪曲线如图4.23所示。



臣 V

世 裂 摆 翻


图4.22方位电机速度跟踪曲线

图4.23俯仰电机速度跟踪曲线

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

从图4.22和图4.23可以看出,方位以及俯仰的速度控制能够达到给定的速度要求并 紧密跟随给定的速度信号,且能够在规定时间内完成方位以及俯仰方向上的位置变化,
满足系统设计要求。

其次对于云台的位置调试,在f=30s时给定方位方向上的目标位置控制量+450, 在f=60s时刻给定方位方向的复位信号,使其复位至Oo,记录位置调试过程中云台的 方位位置信息、方位位置误差信息以及云台方位方向的速度信息,分别绘制出运动曲

线如图4.2钆图4.26所示。其中位置误差为给定值减去测量值,在目标位置为+450和00
时的位置误差为0.050和0.020。


芒 V

躺 蝼 援


趔 仪

图4.24云台方位位置调试曲线
0.

图4.25云台方位位置误差调试曲线



-0.

图4.26云台方位方向的速度曲线

与方位的位置调试相类似,在f=lOs时给定俯仰方向上的目标位置控制量+250, 在t=50s时刻给定俯仰方向的复位信号,使其复位至0。,记录位置调试过程中云台的 俯仰位置信息、俯仰位置误差信息以及云台俯仰方向的速度信息,分别绘制出运动曲 线如图4.27~图4.29所示。

图4.27云台俯仰位置调试曲线

图4.28云台俯仰位置误差调试曲线
67

4履带式移动机器人运动控制系统的软件设计

硕士论文

l~



趟殿嘏星擎

上^∞意J)咱



图4.29云台俯仰方向的速度曲线

其中在目标位置为+250和00时的位置误差为0.060和O.020。 通过云台方位以及俯仰的位置调试,电机能够达到给定位置,并且位置误差也能 够满足系统设计要求(误差在O.10的范围内)。由于调试时位置信号反馈来自高精度旋转 变压器,所绘制的位置曲线相对于云台速度调试曲线更为光滑,改变控制器的参数, 可以缩减位置调节时间。

4.5本章小结
本章对履带式移动机器人运动控制系统的软件部分做出了详细的说明。着重介绍 了基于CANopen协议的运动控制流程、高精度位置检测原理和软件实现方法、基于 CAN总线的控制协议实现方法等内容,并对车体以及云台的软件的整体设计流程做出 了详细的解释,最后对系统软件进行了调试,通过实验数据分析,验证了控制软件能 够满足系统要求。

硕士论文

履带式移动杌器入运动控制系统设计

5履带式移动机器人运动学分析
本文运动控制系统的设计与实现是建立在遥控操作机器人的基础上。上位机(A麟 主控单元)将来自传感器的环境信息和机器人状态信息通过无线方式传输给远程控制 平台,操作人员根据所接收到的数据来在远程操作平台上控制机器人的运动,再将控 制指令通过无线方式传输给ARM主控单元,由ARM主控单元来控制各功能子系统。为实 现履带式移动机器人的自主导航和路径跟踪,下面通过对履带式移动机器人的运动学 的研究,设计了路径跟踪控制器,为今后改进所设计的机器人产品提供理论基础。 机器人运动学,着重研究机器人在各个坐标系中的运动关系,是机器人进行运动 控制的基础。为了控制机器人的运动,首先需要在机器人运动平面中建立相应的坐标 系,-进而建立相应的运动学模型,最后基于此模型通过设计机器人的控制律实现对机 器人的运动控制ll引。

5.1履带式移动机器人运动学模型
履带式移动机器人与通过全方位轮或者导向轮来实现转向的轮式移动机器人在运 动学上有着较大的区别,履带式移动机器人的转向是通过左右两侧履带差分运动实现 的,即转向时,接触地面的履带要横向刮动地面,使地面对机器人产生一个较大的摩 擦力。相对于轮式机器人而言,轮式机器人的转向更容易控制,履带式机器人转向时 其轨迹不仅取决于控制输入,和地面性质、机器人的行驶状态都有着很大的关系,因 此,履带式机器人的控制也更为复杂【.78】。履带式移动机器人在XOY坐标系下的运动示 意图,如图5.1所示。对机器人及其运动有如下的假设: (1)机器人在二维平面内运动; (2)两侧履带的接地长度、宽度相同; (3)两侧履带的中心连线与机器人前后运动方向相互垂直; (4)机器人有刚性外壳,履带与地面完全接触。 基于以上假设,设机器人的质心C在XOY参考平面中的投影坐标为(%,¨),0为 机器人的姿态角(表示为机器人坐标系Y轴与XOY参考平面彳轴正向的夹角),则机器 人的位姿可以由向量P=[磁,Yc,e】F表示。机器人车体宽度为D,履带的宽度为b,参 考点K在XOY参考平面上的投影坐标为@r,YK),与机器人质心C的距离为d,直线

lCKI同XOY参考平面x轴正向的夹角为Ⅸ【7引。

5履带式移动机器人运动学分析

硕士论文

图5.1履带式机器人运动不慈图

根据图5.1可得:

{xr置【置= Y+dsin(o。; =:xc+dos(ct+。0Y


+o)

@?,
、 7

对时间f求导可得:

净2戈c一哆‘sin@+o)
【夕置=夕c+dO?cos(a+o)
度),则:

(5.2)
、 7

设左右履带的理论传动速度分别为v£和’,R(取决于机器人的角速度和履带的长

≈=尹1

V£(1一k)+VR(1一k)】C0se (5.3)

夕c=互1[vL(1一吒)+1,只(1一删siIl。
d:二业二笠2±竖!!二型
D-I-2b

其中,吒和kR是机器人的滑动率,可表示为:

吒:!d
’,L

(5.4)

‰:芏玉
1,足

(5.5)

其中v:和V:分别是左右履带的绝对速度,在没有履带滑动的情况下,履带的理论
速度等于绝对速度【101,即



fI



,L











,R

/L

<J

6 、,



硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

然而,机器人的滑动率是由履带和地面的物理接触直接决定的,实际中很难测定。 假设机器人履带在运动过程中没有滑动,结合式(5.3)---(5.6)可得:



厶口

¥ 2)和式(5.7)得:

E攀1三
s峨+e)】vR

(5.7)

靠 九

=睦cos。+丽d s嘶+0)h+睦c。s。一丽d =【三s洫。一丽d c。s@+。)】叱+【兰siIl。+而d
0=D而1

c。s@+o)1VR(5.8)

式,110l_一


1,工+而1石VR

针 圭sino一彘c嘶+e)扣。+彘cos@+e)削(5.9) 妻:霉删:二荽砷小9,
D+2b D+2b



式(5.9)即为在参考点K描述下的履带差动移动机器人运动学模型,当K点取为C 点时:
一1

cose三eosO


@埘

肚讣 每飘翻
阵。
以表示为:

式(5.10)即为履带式移动机器人的运动学方程,其中P是表示机器人当前的位姿矩

由式(5.10)可知:机器人在XOY坐标系下有三个状态分量:x,Y和0,而机器人 的控制分量只有左右履带的传动速度VL和1,置。机器人在C点的线速度和角速度分别可







V =

。一2。一肌 一拍

。一2。一~





(5.11)





1●●●●j

—. . . L





弋● ●J

71

5履带式移动机器人运动学分析

硕士论文

c2:]= ~一2~一2 瞄

化∞

户料鳓JL。叶江cJ日隘]
R:皇:—D+—2b..坠!星一

@聊

若假设履带式机器人转弯半径为R,由公式%=∞cR可以算出机器人当前的转弯

f5.14)

从式(5.14)可以看出,当’,£=vR时,机器人的旋转角速度03c=0,转弯半径为无 穷大,机器人的运动轨迹可以近似为直线;当1,L=一1,R时,机器人的转弯半径等于O, 机器人围绕着S做原地转动【78】。

5.2控制器的设计
采用双电机驱动的履带式移动机器人,由于电机特性与机械结构不可避免地存在 差别,即使相同指令驱动下的两个电机,驱动轮的输出转速仍有偏差,从而造成两侧 履带速度不同,行进方向发生偏离。针对该问题,提出了一种基于位置闭环的控制器 设计方法,结合机器人驱动器的速度闭环,保证机器人不偏离给定的路径【叼。 5.2.1控制系统结构 控制系统结构图如图5.2所示。

图5.2控制系统结构图

控制器接收机器人的位姿误差只,根据控制律输出两侧履带的速度,通过执行机 构调整机器人的运动方向和速度。由于电机驱动器自身带速度闭环,这里对速度闭环 不加考虑。由式(5.10)和机器人的初始位姿,通过积分环节得到机器人的当前位姿。 借助GPS定位系统和电子罗盘可以得到机器人的初始位姿。

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

5.2.2机器人路径跟踪误差模型 对于以上所描述的机器人直线运动的控制过程可以描述为:对于任何给定的目标 4点(在XOY参考平面中的坐标位置为[XA)Y』】r)与机器人初始位置s(在XOY参考平

面中的坐标位置为Ixs,Ys】r),存在一条理想的直线运动路径剐,表示为f(x,y)=0, 寻找一种控制律U=【1,。,’,。】r使得机器人偏离路径脚后返回该路径运动,即对于任意
给定的s>0,存在以一个时间T>0,使得当f≥T时,有厂(x(f),y(r))<£。机器人沿

着直线路径跗运动的示意图如图5.3所示【引[181。
Y ,,A

,,,(%,儿)
, ,

y)=0

,)





图5.3机器人直线运动不恿图

图5.3中,机器人在f=0时刻从S点出发经过时间&后运行至C点,当前机器人的 位姿用名=[k,Yc,e】r表示,运动速度为qc=[%,国c】r。若有一虚拟机器人在≠=0时

刻也从S点出发,并且沿着直线路径黝保持v,的运动速度,经过时间出后运行至R
点。若机器人在R点的位姿和运动速度分别表示为P=(x,,Y,,0,)r,g,=Iv,,∞,】r,显 然0,=p,∞,=0。在机器人参考坐标系xCy下,机器人的位姿误差P。可以表示为:

£=l Y。l=F(5一尼)
L。。j



(5.15)




cos



sin

13

0]
0 1


其中,F=I—sinp l 0
in

cosl3


J为变换矩阵。 I

K(5.15)可得机器人的位姿误差微分方程为p2】:

5履带式移动机器人运动学分析

硕士论文

[|;]=OacY,-vc+v,eosO。]
5.2.3.1

@峋

忍=[k,Yc,e】r和虚拟机器人的位姿0=Ix,,Y,,0,】r,确定机器人的速度g=Iv,∞】r结 合式(5.12)得到合适的控制律U=Iv工,1,R】7’,调节机器人的角速度∞和速度V使得机器

Lyapunov稳定性理论【29】

其平衡状态为:

f(o,f)=0

Ijf≥气)

(5.18)

形(t,y。,。。):i1(x。2+少;)+2砖[1一c。s(譬)】

(5.19)

其中b>0,显然在[x。,Y。,0。】r≠0时,W(x。,Y。,0。)>0,W(x。,Y。,0。)是正定的。

=以(Ye(O-V+Vr

COS㈦蚬(--Xe(,O+Vr Sille卜b洲n誓
V=V,eosOe+t‘
@2∞


若取。

t∞=2古V以cos譬¨,‰咖警

其中也>0,岛>0

74

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

则:

…丽玩。。):陟。(2F1 v,只c。s冬+咋岛s协譬)一Jj}^]以/
托,,

-.



+儿卜屯c2--古y"Vrye COS誓+V,‰s近鲁,+V,s砸。。,一砖s;n誓c2-古y COS誓+V,岛sin誓,
Vrye

:一tx;一v,岛七y

sill2譬

(5.21)

显然,对于【t,Y。,0。]r=0时,rg(x.,儿,0。)=0;对于【t,Ye,0。】r≠0的其他状态,都 有旷(x。,Y。,0。)<0,旷(x。,Y。,0。)是半负定的。 因此由Lyapunov稳定性判据可知,[xe,Y。,0。】r=0为系统全局渐进稳定状态,在 控制律式U=[v二,VR】r的作用下也将全局渐进收敛到零。

5.3仿真实验及结果分析
假设机器人的初始位姿为B=(0,0,O),目标点彳的坐标为只=(10,20),机器人的 机械尺寸[D,b】一[0.5,O.1】,虚拟机器人的速度’,,=2(m/s),控制器的采样周期 T=O.1ms。调节不同的控制参数[七:,k”缸】可以发现:参数七。用于调节机器人运动轨 迹的超调量;参数后。用于调整机器人运动姿态的快速性与稳态误差e“参数‰用于调 整机器人运动过程的稳定性【28】【29】。 设置控制参数[七”鲰】_【1,1】,对于不同的控制参数k。仿真对比图如图5.4所示。

a)kx=0.01
图5.4

b)t=100 屯取不同值时机器人运动轨迹

从图5.4中可以看出,控制参数t取值越大机器人运动过程中的超调量越大。 设置控制参数【惫,,‰】=【1,1】,对于不同的控制参数忌y仿真对比图如图5.5所示。

75

5履带式移动机器人运动学分析

硕士论文

a)砖=o.01
图5.5

b)b2100
砖取不同值时机器人运动轨迹

从图5.5中可以看出,控制参数t取值越大机器人调整的速度越快,最终稳态误差 ess越小。 设置控制参数【t,尼y】=[1,1】,对于不同的控制参数‰仿真对比图如图5.6所示。

a)岛20.01
图5.6

b)‰=100 毛取不同值时机器人运动轨迹

从图5.6中可以看出,控制参数‰取值越大机器人在运动过程中越稳定。 当控制参数[t,ky,ke】=[1,1,1】时,机器人姿态角0和姿态角偏差随时间f的变化过 程如图5.7和图5.8所示。



量 毒

图5.7机器人姿态角0变化曲线
76

图5.8机器人姿态角偏差变化曲线

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

从上图中可以看出使用,一在合适的控制参数[t,七,,‰】下控制律u=(V£,VR】r有较 好的控制效果。

5.4本章小结
本章首先分析了履带式移动机器人的运动学模型,并在此模型的基础上设计了机 器人在直线行走过程中位置闭环控制系统的控制律,并利用Lyaponov稳定判据分析了 系统的稳定性,最后通过仿真验证了所设计控制律的有效性。 上述基于履带式移动机器人运动学模型所进行的路径跟踪控制器设计,为实现机 器人自主导航和路径跟踪提供了理论基础。在后续的产品研制中,可以将所设计的路 径跟踪控制器融入到车体运动控制软件中,并结合电子罗盘、GPS等传感器,提高机 器人的自主导航能力,减轻操作人员操作的工作量。

硕士论文

履带式移动机器入运动控制系统设计

6总结与展望
以上章节对履带式移动机器人运动控制系统的硬件和软件设计与实现进行了详细 的说明,现对前面的研究和设计做一个总结,并对今后的研究工作作出阐述。

6.1总结
本文所设计的机器人运动控制系统以TMS320F2812 DSP处理器为控制核心,包含 了车体和云台两个运动控制单元。本文完成的工作包含了以下几个部分: (1)根据机器人整体设计要求和机械结构,对多种设计方案进行分析、比较和选 择,确定了电机和驱动器的型号;通过与飞思卡尔DSP处理器的比较,确定了以
TMS320F2812 DSP处理器为核心的控制方案;通过对多种电机传感器的比较,确定了

旋转变压器作为电机速度和位置量的检测,以提高系统的可靠性,最后根据系统的性 能指标,对电机和驱动器进行了相关参数的核算。 (2)以TMS320F2812为控制核心,结合机械设计的尺寸要求,采用了模块化的 思路设计并实现了车体运动控制单元和云台运动控制单元的系统硬件,给出了中央控 制模块、电源转换模块、通信模块、电机驱动模块、换档控制模块以及云台位置检测 模块的详细设计原理和调试分析。对换档所用步进电机的三种驱动方案进行了分析和 比较,经过实验验证,选择了大电流无细分的驱动方案。 (3)利用CCS3.3开发环境,设计并实现了车体和云台两个运动控制单元系统软 件。详细说明了基于CANOpen协议的运动控制模块、高精度位置检测模块和基于CAN 总线的通信模块的软件流程和实现方法。 (4)研究了基于运动学模型的履带式机器入路径跟踪控制方法。建立了履带式机 器人的实际运动学模型,设计了履带式机器人的直线路径跟踪控制器,并运用Lyapunov 稳定判据进行了稳定性分析,并在Matlab环境下对履带式机器人的直线运动进行了仿 真,取得了较好的控制效果,为增加履带式移动机器人的自主导航能力和实现路径跟 踪,提供了理论基础。

6.2展望
随着机器人控制理论和微电子技术的发展,其研究内容在不断地出现,性能要求 也在不断地提高,这样对机器人的运动控制系统的设计要求也就越高。因此,虽然很 多方面文章中并未涉及到,但还是可以加以研究和改进,具体如下: (1)履带式移动机器人的巡航速度、云台精确定位以及爬坡角度等指标还可以进

6总结与展望

硕士论文

一步提高,这样对电机的功率、驱动器的输出功率、电子元器件的性能以及位置传感 器的分辨率就有了更高的要求。通过一系列指标参数的提高,可以提升机器人的整体 性能,使之应用在更广阔的场合。 (2)对运动控制系统的硬件部分也有一些改进的问题,比如说电磁兼容问题,在 机器人车体内由于有电机和各种电子设备,元器件的相互干扰不可避免,如何进一步 降低运动控制板的电磁辐射而且又能够不受外界的干扰也是一个研究方向;再比如说 可以在机器人上安装传感器,可以避免机器人碰壁,以提高机器人的安全性。

的程序先复制到洲中,这样可以提高程序的运行速度;改进ARM主控单元与运动控
制板之间的控制协议,减少系统运算量,提高协议解析效率。 (4)多机器人协同工作。某种特殊情况下,单个机器人无法完成相关任务,这时 就需要多个机器人配合协调工作,多机器人协同系统的结构与协作协议、相互通信以 及信息滤波也是今后研究的热点。 (5)机器人的自主导航与路径跟踪。本文对履带式移动机器人运动学模型进行了 分析,可以根据此运动学模型加上先进的外部传感器实现机器人的自主导航、路径跟 踪与规划,也是增强机器人智能化的一个研究方向。

(3)对于运动控制系统软件,可以在运动控制板上电后,将DSP2812 FLASH中

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计





在本文即将结束之际,我谨向所有曾经关心、帮助我完成两年研究生学习的老师、 同学、朋友和亲人们表示由衷的感谢! 回首两年的研究生学习生活,首先要感谢我的导师李胜副教授。感谢他给我提供 了很多工程实践的机会,让自己能在实践的过程中得到了锻炼,对我的学习生涯和今 后的工作大有帮助。李老师治学严谨、宽于待人,让我不仅仅感受到他严谨的工作作 风、渊博的知识,其宽厚、谦逊的品格也永远是我学习的榜样。再次谨向他表示最衷
心的感谢。

同时,向同教研室的张瑞雷同学表示深深地谢意,在项目的进展过程中,给自己 提供了许多宝贵的意见和建议。 最后感谢父母对我的养育之恩,没有他们的关心和鼓励也无法顺利完成自己的学
斗2。

81

硕上论文

履带式移动机器^运动控制系统设计

参考文献
Aaron Steinfeld.Interface Lessons for Fully and Semi-Autonomous IEEE Intematiortal Confefence
on

Mo bile RobotstJl.

Robotics and Automation,2004
sensors

[2】

Bauzil o A navigatiort sub—system using ultrasonic Stanford-upon-Avon,1 981,47N58

for the mobile

robot[J1.

[3】

蔡自烂.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000
Charle

【4】

Thorpe,Martial

Herbert.Toward Autonomous Driving:The

CMU Navlab[J].

tEEE Expert,i 99 1,6:44---52

[5】5

陈慧宝,李婷,徐解民,关节式履带机器人的爬楼梯性能研究叨.电子机械工程,
2006,22(2):60--63

[6]l

陈世琪,宋伟.双通道旋转变压器轴角编码组件的研制[J】.微特电机,2005,2:
15-18

[7】

陈淑艳,陈文家.履带式移动机器人研究综述啪.机电工程,2007,24(12):
109—112

[g】

成伟明,唐振民,赵春霞.微小型履带式机器人路径跟踪控制器设;t[J1.计算机
工程与应用,2007,43(1 7):114一117

[9】 【10]

陈晓东.国外反恐机器人技术特点分析【JI.机器人技术与应用,2005(6):t
Daisuke

5~18

Endo,Yoshito

Okada,KeU i

Nagatani,and
on

Kazuya

Yoshida.Path

Following(;ontrol for Tracked"vehicles Based IEEE International Conference
on

Slip?Compensating Odometry[J1.

Intelligem Robots and Systems,2007,287 1-2876

[11] 邓先荣.天线伺服系统多电机同步控制方法[J].现代雷达,2005,27(6):45~51

[12J 董立志,孙茂相.基于实时障碍物预测的机器人路径规划【J】.机器人,2000,22(I): l}16 【13】 段星光,黄强,李科杰.小型轮履腿复台式机器人设计及运动特性分析州.机械
工程学报,2005,41(8):108~113

【14]Elmo

Motion Control CANopen DS 301 Implementation Guide.2008 Board for the Whistle, Be]1&Guitar User Guide.2009

【1 5]Elma.Evaluation 【1 6]Elmo.ExtrlQ

HomeVBee Digital Servo Drives for Extended Environmental Condition

Installation G“de.2 008

fI 7】Elmo.SimpIIQ命夸参考手册.2005

【18】樊长虹,卢有章.基于神经网络的移动机嚣人路径规划【J].计算机工程与应用,

参考文献

硕士论文

2004,8:36--38

【19]范路桥,姚锡凡,杨武,蒋梁中.排爆机器人的研究现状及其关键技术[J】.机床与
液压,2008,36(6):1
39~142

【20】Francois

M,Dominic

E.Multi-modal

Iocomotion

robotic

platform

using

leg-track-wheel articulations[J].Autonomous Robots,2005(18):137~156

【21】高理富,王定成,唐毅.一种具有力觉触觉临场感的主从机器人装配作业平台[J】. 机器人,2002,24(1):81~85 [221高云峰.复杂环境下基于势场原理的路径规划方法[J】.机器人,2004,26(2):
114-118

【23】Gruarnieri M,Debenest P'Inoh
vehicle research 2004:39--45

T.Development of helios VII:an arm-equipped tracked of 2004 IEEE,Sendai Japan,

and

rescure

operations[J].Proceedings

【24】广州致远有限公司.Canopen协议简介.2009 【25】韩军,周理兵,马志云,黄声华.基于旋转变压器及AD2S83的位置检测单元[J】. 微特电机,2004,8:33~35 【26】湖南微控.TI DSP仿真器使用说明书.2007 [27】华亮.多功能移动机器人运动机构及控制系统的研究与实现[D】.浙江工业大学硕 士论文,2006 【28】黄永安,李文成,高小科.Matlab [M】.北京:清华大学出版社,2008 【29】黄忠霖.控制系统Matlab计算及仿真[M】.北京:国防工业出版社,2006 【30】李兵,何克忠,张朋飞.自主轮式机器人THMR.V的混合模糊逻辑控制【J】.机器 人,2003,25(6):539-543 【3l】李科杰.危险作业机器人发展战略研究[J】.机器人技术与应用,2003(5):14~22 【32】李胜.非完整系统若干控制问题的研究[D】.南京理工大学博士论文,2005 【33】李岩,杨向东,陈恳.履带式移动机器人动力学模型及其反馈控制[J】.清华大学
学报,2006,46(8):1377~1380
7.0/Simulink

6.0应用实例仿真与高效算法开发

【34】李郁峰.履带式移动机器人及其无线控制的实现[D】.太原理工大学硕士论文,
2002

【35】刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用[M】.北京:北京航空航天大学出版 社,2004



[36】刘亮.先进传感器及其应用[M】.北京:化学工业出版社,2005 [37】刘进长.我国机器人产业发展的若千思考[J】.机器人技术与应用,2007(2):7-9

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

【38】 刘进长,辛健成.机器人世界【M】.郑州:河南科学技术出版社,2000,94-96 [39】 卢少芳,刘大维.自主移动机器人导航研究现状及其相关技术[J】.农业机械学报, 2002,33(2):1
12~1 16

【40】 罗均,谢少荣,翟宇毅.特种机器人[M】.北京:化学工业出版社,2006 【4l】 罗志增,蒋静坪.机器人感觉与多信息融合[M].北京:机械工业出版社,2002

[42】

J.Huanget.A

Model—based

sound localization Using

Landmarks[J].IEEE Trans.on

Robotics and Automation,1 997,l 3(2):25 1—263

[43】 J.L.Martfnez,A.Mandow,].Morales,A.Garcla—Cerezo Modelling
1487.1491 of Track Vehicles by

and S.Pedraza.Kinematic

Experimental

Identification[J].IEEE,2004,

[44]孔德鹏.地面移动机器人的瞬态特性分析与仿真[D】.硕士论文.2008 【45】MacLaurin.C.A,Stamp.W.G
A Summary

ofActivities[J].RESNA PRESS,UVA,1 98 1

[46】马明山.室外机器人定位技术研究[J】.电工技术报,1998,13(2):4346 [47】麻远扬,胡永红.轴角编码器的设计与应用[J】.计算机测量与控制,2007,
15(8):1084-1086 [48】Maxon motor.产品目录06/07高精密伺服与驱动.Maxon手册,2006 【49】MORNSUN AC/DC&DC/AC模块电源LED选型手册.2009 【50】Nilsson.J.An
application of artificical intelligence

technique[J].Mobile automation,

199只12:509-520

[5 l】O Wiik,H

Christensen.Localization and navigation of



mobile robot using natural

point landmarks extracted from 131-142

data[J].Robotics and Autonomous Systems,2000,3:

[52】欧青立,何克忠.室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究[J】.机器人,2000,
22:519-526

【53】Paul

J L,Nicholas

F,Torrie M

R.Chaos

an intelligent ultra—mobile SUGV:cambining
of SPIE,2005(5804):427---438

the mobility of wheel tracks,and

legs[J].Proceedings

[54】彭商贤,刘斌,龚进峰,谢少荣.履带式管道机器人及侧倾问题的研究[J】.机器人,
2000,22(4):247-25 1

[55】千里.核电站操作和维修用的步行机器人发展情况【J】.机器人情报,1990,6:7---10 [56】钱善华,葛世荣,王永胜.救灾机器人的研究现状与煤炭救灾的应用[J].机器人,
2006,28(3):350-354 [57】R
Andrew Russell.Survey of Robotic Applications for Odor-Sensing

Technology[J].

The International Journal of Robotics Ressearch,200 1,20(2):1 44-1 62

85

参考文献

硕士论文

[58】RS Mosher.Test Mobility

and evaluation of



versatile walking

truck[J].Proc.OFF-Road

Resarch Symp,1 988,4:359-379

[59】三恒星科技.TMS320F2812DSP原理与应用实例[M】.北京:电子工业出版社,
2009

【60】申飞,卞亦文,吴仲城.基于Aduc812单片机的六维力传感器阴.仪表技术与传感 器,2004,4:42 ̄44 [6l】司现军,王志良.移动机器人多传感器信息融合技术综述[J】.机电工程,2002,
24(2):97~1
00

[62】苏奎峰,吕强,常天庆.TMS320X281XDSP原理及C程序开发[M].北京:.北京航 空航天出版社,2008 【63】孙佐.基于8XCl96单片机EPA和PTS实现伺服电机的控制[J】.控制与检澳蛙2005,5:
67—石9

【64】唐鸿儒,宋爱国.半自主侦查机器人的研究[J】.制造业自动化,2005,27(12):
30~35

[651汤天瑾,曹向群,刘斌.光电轴角编码器发展现状分析及展望【J】.光学仪器,2005, 27(1):90~95 [66]Thrun
S.Finding landmarks for Mobile Robot

Navigation[J].Proceeding

of IEEE Inter

conf Robotics and Auto,1 998,2:958~963

[67】TMS320X28xx,28xxx

Enhanced

Controller
2004

Area

Network(eCAN)Reference

Guide(Rev.C).Texas Instruments,Nov

[68】TMS320X28xx,28xxx Guide(Rev.C).Texas

Enhanced

Communications

Interface(sci)Reference

Instruments,Nov 2005 Instruments,08

[69】TMS320X28 1 x,Event Manager(EV)Reference Guide(Rev.C).Texas
Nov 2004

[70】TMS320X281X DSP原理及C程序开发.北京:北京航空航天出版社,2008 【7 1】Tucker
Balch,Ronald

Arkin.Communication

in

Reactive

Multiagent

Robotic

Systems[J].Autonomous,1994,l(1):15-18 【72】王军,苏剑波.多传感器继承与融合概述[J】.机器人,2001,23(2):1 83~192

[73]汪明德.“科技创明天’L-香港工业及中国高科技展览会[J].机器人技术与应用,
1997,5:11-13

【74]王挺,王超越,赵忆文..多机构复合智能移动机器入的研制【J】.机器大,2004,
26(4):289-294

[75】魏海涛,赵来定.一种新型的旋转变压器式轴角编码器[J】。国外电子测量技术,

硕士论文

履带式移动机器人运动控制系统设计

一2006,25(4):57—59

【76】魏育成.智能服务机器人的视觉人机交互与导航[刀.中国科学院自动化研究所,
2004

[77】席裕庚,张纯刚.一类动态不确定环境下机器人的滚动路径规划[J】.自动化学报,
2002,28(2):1 61—1 75

[78】徐德,邹伟.室内移动式服务机器人的感知、定位与控制[M】.北京:科学出版
社,2008’

[79】徐国华,谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J】.机器人技术与应用.2001,3:
7~13

【80】徐科军,张瀚,陈智渊.TMS320X28lxDSP原理与应用[Ⅶ.北京:北京航空航天
大学出版社,2006 [8l】阎昌琪,李洪喜.核电站用机器人技术的发展[J].核动力工程,1994,15:29~33 【82】杨敬辉.基于遗传模糊算法的机器人局部避障规划阴.哈尔滨工业大学学报,
2004,36(7):946—948

[83】杨秦敏.多传感器信息融合在自主移动机器人上的应用明.中国科学院自动化研 究所,2004
[84】Yamauchi
B.Packbot:a wersatile platform for military

robotics[C].Unmanned

Ground

Vehicle Technology VL.Proceedings of

SPIE,2004(5422):228~237

【85】Yutaka

Kanayama,Yoshihiko Kimttra,Fumio Miyazaki,Tetsuo Noguchi.A Stable

Tracking Control

Method for

all

Autonomous Mobile

Robot[J].IEEE,1 990,3 84--3 89

[86】张朋飞,何克忠,欧阳正柱。多功能室外智能机器人实验平台阴.机器人,2002,
24(2):97~1 00

[87】章小兵,宋爱国.地面移动机器人研究现状及其发展趋势[J】.机器人技术与应用,
2005,2:19 ̄23

【88】张纯刚,席裕庚.动态未知环境中移动机器人的滚动路径规划[J】.机器人,2002,
24(1):71~75

[89】张福学.机器人技术与应用[M】.北京:电子工业出版社,2000 【90】张彦,关胜晓.完全未知环境下机器人路径规划的RPC算法[J丁.计算机工程与应
用,2007,43(31):84-86

【9l】赵海峰,李小凡,姚辰.新型轮腿履带复合移动机构及稳定性分析叨.机器人,
2006,28(6):576~581

[92】周洲.基于DSP的移动机器人运动控制器的设计与分析【D】.南京理工大学硕士论
文,2008


赞助商链接

全向移动机器人的运动控制

全向移动机器人运动控制 - 全向移动机器人运动控制 作者:Xiang Li, Andreas Zell 关键词:移动机器人和自主系统,系统辨识,执行器饱和,路径跟踪控 制。 摘要:...

全向轮运动平台分析_图文

较全的全向轮移动机器人底盘建模分析与运动学 动力学模型,是进行动力学控制的...三、全向轮平台的设计对全向轮采用如下图所示的结构时,进行系统分析与设计 图 ...

六轴机器人 KUKA-KR200 机器人运动控制方式

六轴机器人 KUKA-KR200 机器人运动控制方式_机械/仪表_工程科技_专业资料。KUKA-KR200 机器人运动控制方式机器人控制系统要对单轴或是多轴进行协调控制, 虽然轴...

智能机器人运动控制和目标跟踪

智能机器人运动控制和目标跟踪 - XXXX 大学 《智能机器人》结课论文 移动机器人对运动目标的检测跟踪方法 学院(系) : 专业班级: 学生学号: 学生姓名: 成 绩:...

基于ARM+DSP的小型地面移动机器人控制系统_图文

本文介绍了一种具有多运动模式的小型轮履复合式移动机器人, 并结合危险环境下移动 机器人的应用要求,对其控制系统设计与实现进行阐述。 研制完成的小型地面移动...

机器人技术试题及答案

灵巧手 4、机器人机械夹持式手按手爪的运动方式分...机器人臂 部的伸缩、升降和纵(横)向的移动均 ...控制系统设计优 先于机械结构设计(理论设计优先于...

两轮自平衡机器人最终论文(X)

6 2 两轮自平衡机器人系统设计及机器人自平衡算法...考虑其移动方式可以有轮式、履带式、腿式、推进 式...两轮移动机器人运动控制系统的设计与实现 . 机器人....

三轮全向机器人原理及matlab仿真

(二) 控制的最终目的是使该机器人能够良好跟踪预期的运动轨迹; (三) 通过对复杂系统的分析、建模、仿真、验证,全面提高利用计算机对复杂系 统进行辅助设计的能力;...

机器人编程控制原理

机器人编程控制原理第一章 机器人系统简介 2.1 机器人运动机构(执行机构) ...因此,这类机构又称为全方 位移动机构。 履带式移动机构 这是类似于履带坦克及...

大学生毕业设计开题报告_图文

移动机器人运动活动方式的角度来说可分为轮式机构, 足式机构, 履带式机构, ...及控制系统成熟简单,可靠性高; (2)设计、制造、维护等成本非常低; (3)移动...