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傳統的機器人運動控制器大部分是以嵌入式單片機為核心的,但其運算速度和處理能力遠不能滿足機器人控制系統飛速發展的需要,日益成為阻礙機器人技術進步的瓶頸。隨著以電子計算機和數字電子技術為代表的現代高技術的不斷發展,尤其是高速度數字信號處理器DSP 的出現,從根本上解決了嵌入式系統運算能力不足的問題,并為機器人運動控制系統的改進提供了新的途徑。該文正是從這一點出發, 選用控制能力很強的DSP芯片TMS320LF2407A作為機器人運動控制器的主處理器,設計出一種高性能機器人運動控制器,顯著地提高了整個機器人的運動性能。 1 控制系統結構 機器人的各種運動由各個關節軸系完成,機器人控制本質上是對各關節軸系的控制。每個軸系具有一個自由度,可以完成某一方向的轉動任務,所有軸系同時協調運動就可以完成相對復雜的動作。國防科技大學機電工程與自動化學院機器人教研室最新研制的仿人步行機器人,其內部各關節結構如圖1所示。 圖1 機器人內部結構示意圖 此機器人共有36 個自由度,分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關節。所有軸系均由PWM 脈沖信號驅動控制,運動控制系統的任務就是對這些關節軸系進行控制,具體由各底層控制器實現。整個控制系統采用分布式控制,在結構上可分為3 個層次,如圖2 所示。 圖2 運動控制系統結構框圖 1.1 主控計算機模塊 主控計算機就是控制系統的“大腦”和司令部,負責整個系統的在線運動規劃、動作及運動控制、語音交互控制、視覺導引控制以及人機交互等功能。主控計算機要求體積小,運算速度快,滿足機器人實時控制的要求,通常采用高性能小板工業控制計算機。它通過CAN 總線接口卡連接到通信總線上,與各底層控制器相連并交互信息。 1.2 通信模塊 機器人控制的信息量大,對通信方面的要求很高,要保證各種信息在控制系統中及時準確的傳輸,通信工具的選擇十分重要,該文選用當前流行的CAN 總線作為通信標準。CAN (Controller Area Net-work) 總線是應用最為廣泛的一種現場總線,也是目前為止惟一有國際標準的現場總線。相對于一般通信總線,它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性,可以滿足文中的設計要求。具體連接方式為:主控計算機通過CAN 總線接口卡連接到總線上,各底層控制器通過總線收發器掛接到總線上。只要所有器件都遵守相同的通信協議,就可以穩定可靠的進行信息傳輸。 1.3 底層控制器模塊 控制器處于整個控制系統的最底層,主要用來控制各運動關節軸系的具體執行過程�？刂破鹘邮罩骺赜嬎銠C的控制命令對各關節執行軸系進行控制,同時把底層信息反饋給主控計算機,實現大回路反饋,便于主控計算機協調規劃,統一管理�？刂破魇钦麄�控制系統的核心,也是該文研究的重點,它的性能直接關系到機器人運動能力。 2 控制器詳細設計 基于DSP 的控制器具體結構如圖3 所示。整個控制器根據結構和功能可分為3 部分:主處理器與外圍器件單元、反饋與執行單元、通信單元,各部分如圖3 中虛線所示。 圖3 DSP 控制器結構 2.1 主處理器與外圍器件單元 DSP主處理器是整個控制器的核心,其運算速度、對信息的處理能力等直接影響控制器的性能。選用TI 公司的TMS320LF2407A 芯片,它是TI 家族C2000系列中的高檔產品,集實時處理能力和控制器外設于一身,非常適用于工業控制。其主要特點有: a.3.3 V電壓,功耗極低,且具有3 種低功耗模式。 b.內部采用哈佛結構體系,程序與數據存儲器分開,專用的程序總線和數據總線進行訪問,取指和執行可同時進行,有效提高了存取速度。 c.流水線指令技術,多條指令可同時進行,平均每條指令大約只需一個指令周期,大大提高了指令執行速度,指令周期可達ns級,在40MHz 主頻下每條指令只需25ns。 d.專用硬件乘法器,運算速度大大提高,運算能力明顯增強。 e.地址和數據總線都是16位,片內有高達32K的Flash程序存儲器,2.5K字的數據/ 程序RAM,544字雙端口RAM (DARAM) , 2K字的單端口RAM(SARAM) ,外部存儲器可擴展64K字的程序存儲器空間、64K字的數據存儲器空間和64K字的I/O空間。 f.自帶看門狗定時器、串行通信接口(SCI) 模塊、16 位串行外設接口( SPI) 模塊、SCI/ SPI 引導ROM、16 通道的10 位ADC 轉換器、5 個外部中斷、基于鎖相環(PLL) 的時鐘發生器、41個可單獨編程或復用的通用輸入/ 輸出(GPIO) 引腳。 g.2 個事件管理器模塊,每個事件管理器包括2個16位通用定時器、8個16位脈寬調制(PWM) 通道、可編程的PWM 死區控制、3個外部事件定時捕獲單元、片內光電編碼器接口電路。 h.內部帶有CAN2.0B 控制器模塊。 可以看出,TMS320LF2407A 的功能十分強大,其本身就是一個獨立的小型控制系統,再加以適當的外圍器件,就可以實現更加復雜的控制功能。尤其是它的兩個事件管理器的功能非常強大,完全是為電機控制設計的。 TMS320LF2407A 通過位置傳感器實時監控各關節軸系的運行情況,并通過總線與主控計算機交互信息。利用其多個PWM 脈沖通道直接產生控制軸系需要的PWM 脈沖信號;其CAN總線控制器模塊可以直接與主控計算機進行通信而不需要增加CAN 總線控制器。 TMS320LF2407A 的軟件開發也十分容易,可以反復編程。只要在其專用的集成開發環境CCS(Code Composer Studio) 中編譯好程序,用一根下載線通過標準的JTAG接口就可以把程序燒錄到DSP 的程序存儲器中,還可以在線修改和調試。整個過程簡單方便,只需一根下載線就可完成,大大簡化了軟件的開發過程,明顯提高了開發效率。同時外部看門狗電路孩可以對控制器電壓進行實時監控,當電壓出現異常迅速復位主處理器。外部存儲器中存放控制算法所需的必要參數,通過SPI 串行外設接口與TMS320LF2407A 相連。 2.2 反饋與執行單元 光電碼盤傳感器把軸系的位置信息轉換成兩路寬度相同但相位相差90°的脈沖信號,脈沖的數目與軸系的轉角成正比,相位差的符號代表了軸系轉動的方向。因此,通過對兩路脈沖進行計數就可以得到軸系的實際位置。脈沖信號經過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計數器,計數后的信息送入DSP主處理器。 這里沒有使用DSP 進行計數,一是為了節省DSP 的資源,使其可以把更多的時間用于計算和其他控制中去;二是可以提高控制器的靈活性,不用對主處理器進行改動就可以改變控制軸系的數目。脈沖計數器選用流行的CPLD 器件,其強大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助,同時還可以作為譯碼電路的一部分為主處理器提供譯碼信號。主處理器對接收的軸系位置信息進行計算和分析,結合新的控制命令產生相應的PWM 脈沖控制信號,經過光電隔離和功率放大后送給執行軸系控制軸系的運行。 2.3 通信單元 主處理器通過CAN總線與主控計算機進行通信,接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機, 實現更高一級的反饋控制。DSP 通過CAN總線接收器連接到總線上,為提高抗干擾能力,中間需要進行光電隔離。整個控制器的結構并不復雜,硬件實現也很簡單,但功能十分強大。每個控制器可以同時控制6～12個軸系,可以根據實際情況進行調節。 3 控制流程與分析 整個控制系統的工作過程如圖4 所示。 圖4 控制系統流程 具體流程為:主控計算機離線規劃好數據,系統開始運行并完成初始化工作;主控計算機向底層控制器發送控制命令,同時底層控制器對各執行軸系進行位置采樣,并把兩者結合在一起進行分析,通過特定的控制算法生成相應的PWM 控制信號,經功率放大后送執行軸系,同時把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機,主控計算機根據新的情況再產生新的命令發送給各控制器,如此反復。 期間還要不斷查詢是否有中斷產生,如果有中斷則轉而執行相應的中斷服務子程序,主要是用來處理一些異常情況;若有結束命令產生則結束整個運動過程。這事實上是兩個閉環反饋過程,底層控制器通過傳感器與各關節軸系之間進行小循環反饋,主控計算機通過各控制器與各關節軸系之間進行大回路反饋,這樣可以使機器人具有更多的“智能”,更好的進行離線實時控制,這也是機器人朝智能化方向發展的一條重要途徑。 4 結 論 文中設計的控制器,采用DSP作為主處理器,較傳統的單片機性能有了顯著提高,運算速度明顯增強,控制能力得到大幅度提升,從根本上解決了使用單片機所帶來的各種問題,并為機器人控制系統的發展和提升找到了一個新的方向。同時也希望能對研究機器人的同行們有一定啟示,在此基礎上研制出性能更高的產品,為推動我國機器人事業的前進做出更大的貢獻。 |
