基于DSP的仿生機器蟹多關(guān)節控制系統的實(shí)現

　　仿生機器蟹控制系統需要較高的控制精度和運算速度,以便在機械結構剛度較高的情況下,通過(guò)提高響應速度來(lái)確保機器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機器蟹腿節和脛節置有兩個(gè)電機(如圖1所示),使其質(zhì)量較大,同時(shí)由于體積的限制使得各步行足相互間距較小,因此將造成機器蟹在行走過(guò)程中耦合較強,控制模型受軀體位姿、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統控制結構靈活,具有調整步行足軌跡和步態(tài)的能力,并能適應控制模型的變化。因此必須研制一種具有強大運算處理能力、軟硬件結構模塊化的機器蟹控制系統。

　　從作業(yè)任務(wù)來(lái)看,兩棲仿生機器蟹的主要設計目的是用于未來(lái)的兩棲軍事偵察,因此要求其具有自主性、智能化的特點(diǎn),并應從實(shí)用性角度出發(fā)來(lái)設計嵌入式的控制構架。

　　控制系統的設計目標為:

　　(1)對各個(gè)關(guān)節實(shí)施快速準確的位置控制;

　　(2)協(xié)調步行足各關(guān)節之間的運動(dòng)以及各步行足的運動(dòng),以實(shí)現預期的目標軌跡;

　　(3)實(shí)時(shí)地采集、處理傳感器的數據,以便在控制系統的信號綜合中使用;

　　(4)實(shí)現機器人步態(tài)規劃、運動(dòng)方程的求解以及控制指令的快速傳輸;

　　(5)具有良好的控制結構和接口,便于高層控制軟件的開(kāi)發(fā);

　　(6)有一定的預留接口、良好的兼容性和擴展性,以便進(jìn)行功能擴展和二次開(kāi)發(fā)與研究;

　　(7)具有模塊化結構,以便調整步行足的數量,適用于不同步態(tài)形式的控制。

　　1 多層多目標分布式控制概念及控制框架

　　仿生機器蟹是一個(gè)復雜的控制對象,從體系上講,其每條步行足都是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂機器人。要實(shí)現有效的控制,除要對每條步行足的三個(gè)驅動(dòng)關(guān)節進(jìn)行準確高效的控制外,多條步行足之間還要相互協(xié)調,共同完成某一確定工作。同時(shí)應考慮到各條步行足運動(dòng)空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強耦合。常用的控制方法有分散控制、分布式控制和遞階控制三種形式。由于遞階控制系統具有控制結構清晰、層次分明的特點(diǎn),而分布式控制系統便于采用模塊化結構且可擴展性好,因此機器蟹控制系統采用遞階控制和分布式控制相結合的控制結構設計。由于其控制結構較復雜,所以將整個(gè)控制體系分為任務(wù)規劃、任務(wù)分解、軀體路徑規劃、運動(dòng)協(xié)調、步行足軌跡規劃、運動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)計算、電機伺服控制等多層結構,而且每層之間要通過(guò)上層進(jìn)行運動(dòng)協(xié)調,例如各個(gè)步行足之間的運動(dòng)控制協(xié)調,需要步行足控制層通過(guò)步行運動(dòng)協(xié)調層交換信息。每條步行足的指關(guān)節之間的控制也是如此。因此,機器蟹控制系統采用多層多目標分布式遞階控制系統,如圖2所示。

　　第一層稱(chēng)為“動(dòng)機層”,它使得機器人本體能夠做到完全的自主。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內部的響應翻譯成對機器人本體的高級命令。

　　第二層是“軀體路徑層”,它接收“動(dòng)機層”給出的高級命令,將其轉化為一系列的本體內部的描述量及認知圖,進(jìn)而給出機器人自身軀體的運動(dòng)路徑。

　　第三層稱(chēng)為“步行足軌跡層”,它針對軀體的運動(dòng)路徑給出各個(gè)足的具體的運動(dòng),包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成。

　　第四層是“動(dòng)力實(shí)現層”,它通過(guò)驅動(dòng)組件實(shí)現由“步行足軌跡層”給出的足的運動(dòng),并對由于系統的動(dòng)力學(xué)不確定性和干擾造成的誤差進(jìn)行校正。

　　各層之間,上層向下層輸出控制量,由下層來(lái)具體實(shí)施。每執行一步,下層將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋給上層。

　　2 單步行足控制系統的硬件設計

　　按照上述設計方案,采用自下而上的設計思路進(jìn)行機器蟹控制系統的開(kāi)發(fā),以保證系統開(kāi)發(fā)的可靠性,同時(shí)也符合模塊化設計思想:在總體確定后,進(jìn)行各功能模塊的設計,并通過(guò)設計模塊間的接口來(lái)組合成完整的系統。

　　首先使用TMS320LF2407開(kāi)發(fā)步行足伺服控制器模塊,這是為了配合機器蟹樣機本體的研制開(kāi)發(fā)而同步進(jìn)行的,這樣有利于控制系統與被控對象間的兼容。

　　步行足伺服模塊包括DSP的最小系統、RS232通訊接口、DPRAM接口、PWM輸出、電機碼盤(pán)QEP信號檢測、碼盤(pán)計數、關(guān)節轉角初始定位、力信號檢測等部分,如圖3所示。伺服控制模塊的各外設接口功能如下:

　　(1)RS232通訊接口:實(shí)現PC機與LF2407的上下層通訊,以便在單步行足控制實(shí)驗中進(jìn)行控制和狀態(tài)觀(guān)察;

　　(2)DPRAM接口:用于實(shí)際機器蟹控制系統的多控制模塊級聯(lián)通訊和伺服模塊與TMS320VC5410系統的通訊;

　　(3)PWM輸出接口:利用TMS320LF2407的片內外設生成數字PWM信號,作為電機控制信號;

　　(4)碼盤(pán)計數接口:用于電機轉速檢測中的正交編碼信號(QEP)檢測、電機旋轉方向判斷,與關(guān)節轉角定位信號結合使用,來(lái)檢測關(guān)節轉角;

　　(5)關(guān)節轉角初始定位接口:采集用于關(guān)節初始定位的霍爾傳感器信號;

　　(6)力信號接口:處理和檢測足端FSR傳感器的接觸力信號。

　　2.1 TMS320LF2407的功能介紹

　　TMS320C24x系列DSP芯片是TI公司于1997年推出的低價(jià)高性能的16位定點(diǎn)DSP,是專(zhuān)為數字電機控制系統和其它控制應用系統而設計的DSP。TMS320C24x系列DSP不但具有高性能的CPU內核,而且還具有單片電機控制的外設功能。它將數字信號處理器的高速運算能力與面向電機的強大控制能力結合在一起,從而成為傳統的多微處理器單元MCU和多片設計系統的理想替代品。經(jīng)過(guò)對TMS320C24x系列芯片功能的比較,選用TMS320LF2407作為開(kāi)發(fā)機器蟹步行足控制系統的CPU。該芯片除具備通用DSP的高速高性能外,片內還配置了大量的外圍接口,專(zhuān)用于電機控制開(kāi)發(fā)。

　　2.2 計數器的設計

　　在計數器的設計過(guò)程中采用模塊化的設計思想,利用MAX+plus II軟件提供的可調參數化元件庫(LPM—Library of Parameterized Modules),選取可調參數化計數器元件LPM-counter來(lái)設計16位計數器。在該計數器模塊上共有9個(gè)并行的計數通道,每個(gè)通道都包括一個(gè)16位可預置初始值的雙向可逆計數器,計數脈沖采用上升沿觸發(fā),并具有同步裝載初值和異步清零的功能。計數器結構框圖如圖4所示。在該模塊中,還包括電機QEP信號組的4倍頻處理和方向判斷功能電路,并且具有與DSP芯片TMS320LF2407接口的邏輯電路。

　　2.3 步行足足端力信號檢測電路

　　為了實(shí)時(shí)獲得軀體相對于大地坐標系的位置和姿態(tài)信息,步行機器人必須通過(guò)大量的外部傳感器獲得諸如傾角、離地高度等信息。在機器蟹的步行足端部安裝了力傳感器,利用它檢測足端與物體(或地面)的接觸力大小,來(lái)判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面。通過(guò)設置碰撞力信號的閾值來(lái)判斷步行足是可以克服阻力按規劃路徑繼續運動(dòng),還是改變運動(dòng)方式避開(kāi)障礙,或從擺動(dòng)相轉入支撐相。

　　FSR(Force Sensing Resistors)是一種聚合體薄膜裝置,其電阻值大小與其活性表面所受正壓力大小成正比,這種力傳感器對力的敏感程度非常高。機器蟹足端FSR檢測電路如圖5所示。無(wú)作用力時(shí),FSR阻值Rs約為50MΩ,晶體管導通,Vout輸出為低電平,接近于0V;當表面受力時(shí),阻值Rs隨力的增加而減小,當Rs值滿(mǎn)足晶體管可靠截止條件時(shí),Vout輸出高電平。要使晶體管截止, 必須滿(mǎn)足以下條件:

　　3 單步行足控制系統的軟件設計

　　在本文設計的機器蟹控制器中,采用分時(shí)集中方式和多CPU的結構。步行足控制器采用分時(shí)集中方式,由一個(gè)CPU對3條步行足的9個(gè)關(guān)節進(jìn)行控制,CPU可對各關(guān)節的反饋控制策略進(jìn)行協(xié)調控制,完全由軟件確立各關(guān)節之間的耦合關(guān)系。而整個(gè)機器蟹的全局控制器結構為多CPU結構,由3個(gè)步行足控制器(即3個(gè)CPU控制單元)并聯(lián)成伺服控制層,并由一個(gè)中央控制CPU協(xié)調控制。機器蟹步行足控制系統的單關(guān)節控制過(guò)程如圖6所示。由PC機(上位機)將每一個(gè)動(dòng)作任務(wù)分解為各關(guān)節轉角,并每隔一個(gè)插補時(shí)間T1執行一次上下位機指令,將下一個(gè)T1時(shí)間內各指關(guān)節的目標轉角指令值發(fā)送給DSP控制器(下位機)。DSP控制器將插補時(shí)間內的轉角按可控精度進(jìn)行周期為T(mén)2的插補細分,細分后所得任務(wù)為各個(gè)關(guān)節電機控制中斷程序的實(shí)際目標指令,并在插補周期時(shí)間內實(shí)現電機轉角位置伺服控制,從而完成步行足的運動(dòng)控制。除此之外,控制系統軟件還包括步行足軌跡規劃運算、系統自檢和初始化、故障判斷、程序終止、力/位置信號采集處理等功能模塊。

　　本文以仿生機器蟹為設計對象,提出了基于DSP的機器蟹多層多目標遞階控制系統方案,并對單步行足的軟、硬件設計做了詳細的闡述,為進(jìn)一步實(shí)現自主式的仿生步行機構奠定了基礎。

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