基于DSP的仿人机器人运动控制器设计.docx

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1、基于DSP的仿人机器人运动控制器设计caojing导语：采用DSP作为机器人控制器的主处理器，设计出一套功能强大、使用方便的机器人运动控制系统，从根本上解决了单片机带来的各种问题。摘要：采用DSP作为机器人控制器的主处理器，设计出一套功能强大、使用方便的机器人运动控制系统，从根本上解决了单片机带来的各种问题。该控制器采用位置反应的方式，同时通过总线接口与主控计算机实时交互信息。所设计的控制器原理明确，构造明晰，是对机器人控制领域的一种新的尝试。关键词：机器人运动控制器高速度数字信号处理器CAN总线传统的机器人运动控制器大局部是以嵌入式单片机为核心的，但其运算速度和处理才能远不能知足机器人控制系

2、统飞速开展的需要，日益成为阻碍机器人技术进步的瓶颈。随着以电子计算机和数字电子技术为代表的当代高技术的不断开展，尤其是高速度数字信号处理器DSPDigitalSignalProcessor的出现，从根本上解决了嵌入式系统运算才能缺乏的问题，并为机器人运动控制系统的改良提供了新的途径。该文正是从这一点出发，选用控制才能很强的DSP芯片TMS320LF2407A作为机器人运动控制器的主处理器，设计出一种高性能机器人运动控制器，显著地进步了整个机器人的运动性能。1控制系统构造机器人的各种运动由各个关节轴系完成，机器人控制本质上是对各关节轴系的控制。每个轴系具有一个自由度，可以完成某一方向的转动任务，

3、所有轴系同时协调运动就可以完成相对复杂的动作。国防科技大学机电工程与自动化学院机器人教研室最新研制的仿人步行机器人，其内部各关节构造如图1所示。此机器人共有36个自由度，分布在下肢、上肢、头部和手指等各关节。所有轴系均由PWM脉冲信号驱动控制，运动控制系统的任务就是对这些关节轴系进展控制，详细由各底层控制器实现。整个控制系统采用分布式控制，在构造上可分为3个层次，如图2所示。1.1主控计算机模块主控计算机就是控制系统的“大脑和司令部，负责整个系统的在线运动规划、动作及运动控制、语音交互控制、视觉导引控制以及人机交互等功能。主控计算机要求体积小，运算速度快，知足机器人实时控制的要求，通常采用高性

4、能小板工业控制计算机。它通过CAN总线接口卡连接到通讯总线上，与各底层控制器相连并交互信息。1.2通讯模块机器人控制的信息量大，对通讯方面的要求很高，要保证各种信息在控制系统中及时准确的传输，通讯工具的选择特别重要，该文选用当前流行的CAN总线作为通讯标准。CANControllerAreaNetwork总线是应用最为广泛的一种现场总线，也是目前为止惟一有国际标准的现场总线。相对于一般通讯总线，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵敏性，可以知足文中的设计要求。详细连接方式为：主控计算机通过CAN总线接口卡连接到总线上，各底层控制器通过总线收发器挂接到总线上。只要所有器件都遵守一样的通讯协议

5、，就可以稳定可靠的进展信息传输。1.3底层控制器模块控制器处于整个控制系统的最底层，主要用来控制各运动关节轴系的详细执行经过。控制器接收主控计算机的控制命令对各关节执行轴系进展控制，同时把底层信息反应给主控计算机，实现大回路反应，便于主控计算机协调规划，统一治理。控制器是整个控制系统的核心，也是该文研究的重点，它的性能直接关系到机器人运动才能。2控制器具体设计基于DSP的控制用具体构造如图3所示。整个控制器根据构造和功能可分为3局部：主处理器与外围器件单元、反应与执行单元、通讯单元，各局部如图3中虚线所示。2.1主处理器与外围器件单元DSP主处理器是整个控制器的核心，其运算速度、对信息的处理才

6、能等直接影响控制器的性能。选用TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高档产品，集实时处理才能和控制器外设于一身，非常适用于工业控制。其主要特点有：a.3.3V电压，功耗极低，且具有3种低功耗形式。b.内部采用哈佛构造体系，程序与数据存储器分开，专用的程序总线和数据总线进展访问，取指和执行可同时进展，有效进步了存取速度。c.流水线指令技术，多条指令可同时进展，平均每条指令大约只需一个指令周期，大大进步了指令执行速度，指令周期可达ns级，在40MHz主频下，每条指令只需25ns。d.专用硬件乘法器，运算速度大大进步，运算才能明显增强。e.地址和数据总线都是16位，

7、片内有高达32K的Flash程序存储器，2.5K字的数据程序RAM，544字双端口RAMDARAM，2K字的单端口RAMSARAM，外部存储器可扩展64K字的程序存储器空间、64K字的数据存储器空间和64K字的IO空间。f.自带看门狗定时器、串行通讯接口SCI模块、16位串行外设接口SPI模块、SCISPI引导ROM、16通道的10位ADC转换器、5个外部中断、基于锁相环PLL的时钟发生器、41个可单独编程或者复用的通用输入输出GPIO引脚。g.2个事件治理器模块，每个事件治理器包括2个16位通用定时器、8个16位脉宽调制PWM通道、可编程的PWM死区控制、3个外部事件定时捕捉单元、片内光电编

8、码器接口电路。h.内部带有CAN2.0B控制器模块。可以看出，TMS320LF2407A的功能特别强大，其本身就是一个独立的小型控制系统，再加以适当的外围器件，就可以实现更加复杂的控制功能。尤其是它的两个事件治理器的功能非常强大，完全是为电机控制设计的。TMS320LF2407A通过位置传感器实时监控各关节轴系的运行情况，并通过总线与主控计算机交互信息。利用其多个PWM脉冲通道直接产生控制轴系需要的PWM脉冲信号；其CAN总线控制器模块可以直接与主控计算机进展通讯而不需要增加CAN总线控制器。TMS320LF2407A的软件开发也特别轻易，可以反复编程。只要在其专用的集成开发环境CCSCode

9、ComposerStudio中编译好程序，用一根下载线通过标准的JTAG接口就可以把程序烧录到DSP的程序存储器中，还可以在线修改和调试。整个经过简单方便，只需一根下载线就可完成，大大简化了软件的开发经过，明显进步了开发效率。外部看门狗电路可以对控制器电压进展实时监控，当电压出现异常迅速复位主处理器。外部存储器中存放控制算法所需的必要参数，通过SPI串行外设接口与TMS320LF2407A相连。2.2反应与执行单元光电码盘传感器把轴系的位置信息转换成两路宽度一样但相位相差90的脉冲信号，脉冲的数目与轴系的转角成正比，相位差的符号代表了轴系转动的方向。因此，通过对两路脉冲进展计数就可以得到轴系的

10、实际位置。脉冲信号经过光电隔离器件隔离后送入专用脉冲计数器，计数后的信息送入DSP主处理器。这里没有使用DSP进展计数，一是为了节省DSP的资源，使其可以把更多的时间用于计算和其他控制中去；二是可以进步控制器的灵敏性，不用对主处理器进展改动就可以改变控制轴系的数目。脉冲计数器选用流行的CPLD器件，其强大的功能对进步控制器的性能有很大的帮助，同时还可以作为译码电路的一局部为主处理器提供译码信号。主处理器对接收的轴系位置信息进展计算和分析，结合新的控制命令产生相应的PWM脉冲控制信号，经过光电隔离和功率放大后送给执行轴系控制轴系的运行。2.3通讯单元主处理器通过CAN总线与主控计算机进展通讯，接

11、收主控计算机的命令并把底层信息反应给主控计算机，实现更高一级的反应控制。DSP通过CAN总线接收器连接到总线上，为进步抗干扰才能，中间需要进展光电隔离。整个控制器的构造并不复杂，硬件实现也很简单，但功能特别强大。每个控制器可以同时控制612个轴系，可以根据实际情况进展调节。3控制流程与分析整个控制系统的工作经过如图4所示。详细流程为：主控计算机离线规划好数据，系统开场运行并完成初始化工作；主控计算机向底层控制器发送控制命令，同时底层控制器对各执行轴系进展位置采样，并把两者结合在一起进展分析，通过特定的控制算法生成相应的PWM控制信号，经功率放大后送执行轴系，同时把底层轴系的运行情况上传给主控计

12、算机，主控计算机根据新的情况再产生新的命令发送给各控制器，如此反复。期间还要不断查询是否有中断产生，假如有中断那么转而执行相应的中断效劳子程序，主要是用来处理一些异常情况；假设有完毕命令产生那么完毕整个运动经过。这事实上是两个闭环反应经过，底层控制器通过传感器与各关节轴系之间进展小循环反应，主控计算机通过各控制器与各关节轴系之间进展大回路反应，这样可以使机器人具有更多的“智能，更好的进展离线实时控制，这也是机器人朝智能化方向开展的一条重要途径。文中设计的控制器，采用DSP作为主处理器，较传统的单片机性能有了显著进步，运算速度明显增强，控制才能得到大幅度提升，从根本上解决了使用单片机所带来的各种问题，并为机器人控制系统的开展和提升找到了一个新的方向。同时也希望能对研究机器人的同行们有一定启示，在此根底上研制出性能更高的产品，为推动我国机器人事业的前进做出更大的奉献。0