基于京微雅格CME-M7的智能機器人控制系統設計與實(shí)現

　　三、CME-M7硬件設計方案總成

　　機器人總體構成

　　如圖1所示，以CME-M7微處理器為核心，接受傳感器傳來(lái)外部信息，進(jìn)行處理，控制機器人的運行。

　　圖1 機器人總體構成

　　人型機器人的整體規劃

　　人形機器人是一種智能化機器人，在機器的各活動(dòng)關(guān)節配置有多達16個(gè)服務(wù)器，具有16個(gè)自由度，特顯靈活，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動(dòng)作。它還配一套設計優(yōu)良的控制系統，通過(guò)自身智能編程軟件便能自動(dòng)地完成整套動(dòng)作。

　　系統電源供電部分

　　由于機器人電機，傳感器及系統采用+5V供電，CPU采用core 1V & I/O 3.3V供電,電源部分均考須慮電機功率和整體質(zhì)量及摩擦阻力問(wèn)題，電源我們采用鋰電池組串聯(lián)與同步降壓處理，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。

　　電機驅動(dòng)及PWM調速部分

　　機器人需控制在一個(gè)合適的速度運行，速度快，因MCU對各傳感器傳來(lái)的信號有一個(gè)響應、處理時(shí)間，小車(chē)極易偏離軌道,此時(shí)需要搭配FPGA電路來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)運算處理后再提供給MCU。伺服的速度是由直流電機轉速控制,經(jīng)由級聯(lián)減速齒輪進(jìn)行降速后得到旋轉與更大扭力，改變伺服齒輪的控制角度通常采用調脈寬、調壓、調磁等方式來(lái)實(shí)現。其中，調壓方式原理簡(jiǎn)單，但需要模擬輸出, 調脈寬方式需要FPGA邏輯搭成PWM控制模塊,在CME-M7容易實(shí)現。

　　可以使用FPGA、模擬電路、單片機來(lái)產(chǎn)生舵機的控制信號，FPGA容易生成穩定且快速的脈寬調制信號的脈寬變換產(chǎn)生50Hz(周期是20ms)的信號，但須注意運放器件的選擇有較高要求。

　　若只用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為 PWM信號輸出到舵機，此時(shí)會(huì )因為單片機的指令周期不同與程序運行間隔不同而有不準確性,故采用CME-M7 FPGA PWM來(lái)直接控制,是一個(gè)數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統工作可靠,再由MCU下達參數給FPGA進(jìn)行伺服的角度設置。

　　圖示：舵機的控制要求

　　舵機是一種位置伺服的驅動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

　　當控制信號由輸入纜線(xiàn)進(jìn)入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個(gè)基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動(dòng)芯片決定電機的正反轉電路。當電機位置與定位器不一致時(shí),電機驅動(dòng)芯片的正反轉電路輸出正反轉訊號驅動(dòng)電機，通過(guò)級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動(dòng)。

　　舵機內安裝了一個(gè)電位器(或其它角度傳感器)檢測輸出軸轉動(dòng)角度，控制板根據電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。

　　舵機的主體結構如下圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。

　　簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號源的控制信號，并驅動(dòng)電機轉動(dòng);齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出;電位器和齒輪組的末級一起轉動(dòng)，測量舵機軸轉動(dòng)角度;電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動(dòng)角度，然后控制舵機轉動(dòng)到目標角度或保持在目標角度。

　　舵機是一個(gè)微型的伺服控制系統，具體的控制原理可以用下圖表示：

　　工作原理是控制電路接收信號源的控制脈沖，并驅動(dòng)電機轉動(dòng);齒輪組將電機的速度成大倍數縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數，然后輸出;電位器和齒輪組的末級一起轉動(dòng)，測量舵機軸轉動(dòng)角度;電路板檢測并根據電位器判斷舵機轉動(dòng)角度，然后控制舵機轉動(dòng)到目標角度或保持在目標角度。

　　舵機的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對應-90度到+90度的位置。如下圖所示：

　　利用CME-M7高性能硬件實(shí)現機器人的動(dòng)態(tài)平衡,三軸傳感器獲得的姿態(tài)資料經(jīng)過(guò)的FPGA與DSP直接運算后,傳遞給PWM生成控制訊號,達成即時(shí)控制要求。