基于PC／104與單片機的仿人機器人控制系統設計

主要特性有：
(1)高速、流水線(xiàn)結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25 MIPS)，70％的指令的執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，能滿(mǎn)足關(guān)節控制器的需要。
(2)有4個(gè)通用16位計數器／定時(shí)器，以及16位可編程計數器／定時(shí)器陣列，5個(gè)捕捉／比較模塊，29個(gè)端口I／O。通過(guò)對片內進(jìn)行編程，以及合理地分配比較器與I／O口，實(shí)現在C8051F310芯片上產(chǎn)生21路PWM波。由于單片機輸出的是數字形式的控制量，必須經(jīng)過(guò)D／A轉換變成模擬控制量，經(jīng)伺服放大器驅動(dòng)電機。
在此采用MAXIIM的12位串行D／A芯片MAX531作為數／模轉換芯片，將MAX531工作在雙極性電壓方式下，其輸出模擬量的范圍在一2．048～+2．048 V，精度為1 mV。輸出的模擬量經(jīng)過(guò)運算放大器進(jìn)行放大，進(jìn)入伺服放大器驅動(dòng)電機。
C8051F310作為關(guān)節控制器控制核心，它主要負責21路PWM的產(chǎn)生，在C8051F310芯片中集成了4個(gè)通用的16位計數器／定時(shí)器，5個(gè)捕捉／比較模塊，運用1個(gè)計數器／定時(shí)器和1個(gè)比較模塊控制6路I／0端口，其他3個(gè)計數器／定時(shí)器和3個(gè)比較器控制15路I／O口，來(lái)實(shí)現21路PWM波的產(chǎn)生。這里以6路PWM波的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)明運用C8051F310實(shí)現電路，其電路圖如圖4所示：CEXn引腳產(chǎn)生脈寬調制PWM輸出，PWM輸出的頻率取決于PCA計數器／定時(shí)器的時(shí)基，使用模塊的捕捉／比較寄存器PCA0CPLn改變PWM輸出信號的占空比。當關(guān)節控制器接收給定的6個(gè)電機轉動(dòng)角度序列數據后．由軟件將6個(gè)數據從小到大排列，并依次求出相鄰2個(gè)數的差值，按照最小的數、前2個(gè)數的差值到最后兩個(gè)數的差值排列好，并將從小到大的數據對映的交叉開(kāi)關(guān)的地址依次對映。
程序將第一個(gè)最小角度數放入比較寄存器的低8位PCA0CPLn中，當PCA計數器／定時(shí)器的低字節(PCAOL)與PCA0CPLn中的值相等時(shí)，CEXn引腳上的輸出被置“1”；同時(shí)程序將第二個(gè)數據即差值放入比較寄存器的PCA0CPLn中，PCA計數器／定時(shí)器清零，并將交叉開(kāi)關(guān)置位到相應的輸出腳，當PCA計數器／定時(shí)器的低字節(PCAOL)與PCA0CPLn中的值再次相等時(shí)，CEXn引腳上的輸出被置“1”，直到這組數據完畢。PCAOL中的計數值溢出，CEXn輸出被復位，準備第二輪的PWM波的產(chǎn)生。

3 實(shí) 驗
3．1 圖像采集處理
為了使機器人能夠達到預定目標，必須對軟件系統進(jìn)行設計規劃。主控計算機上安裝了WIN98系統，圖像采集與處理采用VC進(jìn)行編程，下面是圖像采集處理的程序運行界面如圖5所示。

3．2 仿人機器人穩定步行
運用這種控制系統來(lái)實(shí)現DF一1仿人機器人行走的控制，通過(guò)實(shí)驗表明，此系統能夠完成仿人機器的動(dòng)態(tài)穩定行走，圖6是一系列行走連續行走的截圖。

4 結 語(yǔ)
基于PC／104嵌入式計算機和C8051F310芯片設計了仿人機器人的控制系統，實(shí)現了機器人的圖像采集和處理，以及機器人的穩定步行。PC／104嵌入式計算機功能齊備，運算能力強，可擴展性好，作為仿人機器人控制系統有它獨特的優(yōu)點(diǎn)。單片機實(shí)現仿人機器人的關(guān)節控制，由于其計算能力有限，難以實(shí)現復雜的控制，因此這種控制系統可以用來(lái)作為實(shí)驗用和教學(xué)用機器人。