基于DSP的四足机器人电控系统设计

r⋯互臻戮⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．苎壁蔓型⋯婴坚．芝墅生一 圈 基于DSP的四足机器人电控系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 陈 玉，李声晋，卢 刚 (西北工业大学，陕西西安710072) 摘要：针对以狗为仿生对象的四足机器人，设计了分层分布式结构的控制系统，分别以dsPIC30F6014A和 dsPIC30F4012为控制核心对电控系统的主控制器和关节控制器进行了软硬件设计。实验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该电控系统设计合 理，能有效控制四足机器人的各种步态行为，基本满足设计要求。 关键词：四足机器人；电控系统；无刷直流电动机 中图分类号：TM381文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2011)03-0008-03 DevelopmentofElectricControlSystemforQuadrupedRobotsBasedonDSP CHENYu，LISheng书n，LU劬乃g (NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi"an710072，China) Abstract：Anelectriccontrolsystemofthelayered-distributedstructureforquadrupedrobotswasdesignedtakingthe dog鹊bionicmodel．ThehardwareandsoftwaredesignWasachievedusingdsPIC30F6014A鹤coreprocessorforthemain controlleranddsPIC30F4012forjointcontroller．Experimentalresultsshowthattheelectriccontrolsystemisreasonablydis- igned，effectivecontrolswalkingpatternsandbasicallymeetsthedesignrequirements． Keywords：quadrupedrobot；electriccontrolsystem；brushlessDCmotor 0引 言 目前，机器人已经广泛应用于工业生产中，在其 他领域的应用也逐渐增多¨J。四足机器人作为移 动机器人的一种，自由度多，运动灵活，具有很强的 环境适应能力，在星球探测、军事侦察以及灾后搜救 等方面具有广阔的应用前景，越来越受到各国研究 者的关注。 本文以实验室自行研制的四足机器人为对象， 对四足机器人控制系统进行了软硬件设计，并通过 实验验证了控制系统的合理性与有效性。 1控制系统总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 本文使用的四足机器人以狗为仿生对象，对狗 的骨骼结构进行了部分简化，整体关节分布如图1 所示。三相无刷直流电动机作为关节驱动电机，采 用仿生CPG控制算法作为四足机器人的运动控制 算法。 图1 四足机器人关节分布图 收稿日期：2010—08—04 1．1控制方式 由于四足机器人控制系统要执行大量计算协调 多关节的运动，并同时控 制12个关节驱动电机动 作，还要具备一定的扩展 性，因此决定采用多CPU 结构、分布式控制方式。 控制系统的总体结构图如 图2所示。 图2控制系统总体结构图 图2中，PC机处于最高层，用来完成机器人的 导航和路径规划，确定机器人的行走路径；主控制器 处于中层，接收PC机的指令，并将指令转化成多关 节的协调步态，分解为关节信息并发送给各个关节 控制器；关节控制器处于控制的最底层，接收主控制 器的关节信息，完成对关节的驱动控制。 本文主要介绍主控制器和关节控制器的软硬件 设计。 1．2通信方式 机器人控制系统主控制器与PC机之间的通信 采用无线方式，这样避免了通信双方之间的线缆连 接，可以实现远距离通信。 主控制器与关节控制器之间的通信属于多点通 信，通信距离在60cm左右，要求可靠性高，实时传 输。CAN总线可以满足这些要求，而且接口电路在 DSP、单片机上容易实现，开发比较方便，因此选用 CAN总线作为电控系统主控制器和关节控制器之 一酉置F一丽 基于口∽，的四足机器人电控系统设计 万方数据 ⋯蔓堕妻塑⋯2⋯011耋蔓．3塑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯复臻％⋯j 问的通信总线。 2硬件设计 2．1主控制器硬件设计 主控制器硬件电路由主控芯片及其外围接口电 路、传感器 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 电路、无线通讯电路、CAN总线通讯 电路和串口通讯电路组成。其结构框图如图3所示。 图3主控器组成框图 考虑到设计要求和开发的难易程度，主控芯片 采用微星公司的dsPIC30F6014A。该控制器集成了 高性能的运算单元、大容量的片上存储器和丰富的 外设电路，可以提供高运算速度、精度和强数据处理 能力，完全满足本控制系统的使用要求。 无线收发芯片采用Integration公司的IA4421。 IA4421成本低、集成度高、调试简单，包括RF部分、 基带放大过滤部分、数据处理单元和片上控制器。 片上控制器通过SPI接口与外部通信，控制无线数 据的接收和发送。 传感器选用ADI公司的单轴角速度传感器 ADXRS300和双轴加速度传感器ADXL210E。将角 速度传感检测电路和加速度传感检测电路分别做成 容易安装在机体上的小电路板，然后将两个加速度 检测板分别安装在与机体平面平行和垂直的两个平 面上，三个角速度检测板安装在三个相互垂直的平 面上，组成机体的位姿检测平台。 CAN总线通讯电路中，dsPIC30F6014A片上带 有两个CAN模块，因此通过外扩CAN控制器和 CAN收发器即可实现多个CAN接口。CAN控制器 采用微星公司的MCP2510，使用SPI接口可以外扩 4路MCP2510来实现4个CAN接口。CAN收发器 选择比较常用的PCA82C250。串行通信电路中，主 控制器端采用RS485串行通信接口，外接RS485收 发器SP491E，然后通过RS485一RS232转换器连接 到PC机的串口。 2．2关节控制器硬件设计 关节控制器硬件电路主要由电源模块、CPU模 块、驱动模块、功率变换模块、检测模块和通讯模块 组成。控制器原理框图如图4所示。 蓄电池提供的电压为24V，控制器的各个部分 所需要的用电电压不同，可分为三组：功率模块为 24V，驱动模块为15V，CPU及其外围电路需要5V 供电。分别使用线性稳压器7815和7805，得到15 翘靶探测l l霍尔]|r 角位移 传感器 图4关节控制器原理框图 V和5V电压。 CPU选用微星公司的16位高性能控制器 dsPIC30F4012，它是专门为电机高速控制所设计的 一种16位微处理器，集成了多种功能模块，其中包 括一个6通道的电机专用MCPWM控制器，通过编 程可产生互补的三相6路PWM波形，大大简化了 产生脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件。 同时，还可以通过编程设置死区时间防止同一桥臂 上下两个功率管发生直通造成短路。 驱动芯片采用美国国际整流器公司的多路驱动 芯片IR2130，一个IR2130可驱动三相桥式电路的 六个功率开关器件，内部设计有过电流、过电压及欠 电压保护，输出的最大正向峰值驱动电流为250 mA，而反向峰值驱动电流为500mA，耐压600V，满 足系统的需要。其外围电路主要包括驱动连接电路 和高压侧的自举电路。 功率变换电路采用三相全桥方式，功率器件选 用N沟道的MOSFETIRF540，开关速度快、驱动功 率小，额定电流为40A，耐压为100V，导通电阻只 有44mQ，工作结温范围为一55℃～175℃，满足系 统的使用要求。 针对过电流设计了故障保护电路，采用漏源极 电压探测的方式对三个下管进行检测。将探测电压 与参考电压进行比较，比较输出信号接入IR2130的 ITRIP引脚(高电平有效)。当发生过流时，ITRIP引 脚被置高，IR2130封锁PWM输入信号，输出全为低 电平，保证6个功率管全部关断。 角位移传感器用于测量关节转动的角度，选用 了导电塑料电位计WDY一35D4-619，线性度0．1％， 有效角度范围00一3450。 3软件设计 基 于 o ∽ -口 的 四 足 机 器 电控系统的软件设计包括主控制器和关节控制j龟 器的软件设计。采用模块化编程方法，可将控制软!鬃 件分成多个独立的功能模块，软件模块框图如图5 j篓 中所示。 !计 ：-：X 3．1主控制器软件设计计算篙嚣蕊嬲嚣羹霉薹翁函计算，将计算得到的各关节指令发送给各关节控制翻 动块驱模削矧副_[ 万方数据 ⋯级堡骖苎和 国黑啡嚣l 兰8111” l**#■■##l 霜5软件模块框目 基： (4)i#月i＆目 (b)lid*#}E月m＆目 t： 由7盖节控制器主程序流程圈 虽： 磊：4实验 菌! 屋；41单关节驱动实验 若- 关节用无刷宣流电动机参数：“V供电，额定 含；功率52W，龋定电流255A，额定转速3000∥ 馨r mln，额定转矩016N-m。 鹭! 实验测得dBPIC30Fd012输出PWM的死区时间 并一值为500ns’如图8a所示，与设定值相符，该死区时 ；问可在软件中进行修改。电机稳态运行时三路 !PWM输出和电机某一线电动势波形如图8h所示。 一实验结果表明．关节控制器可以对关节电机进行准 ⋯一堕壁蔓史2／n1—11魁! 确有效的控制。霉 (a)pWMⅡB目目(h)‰自自*S脚Mg自口e＆Ⅲ 圈8 pWM死Ⅸ时间与驱动信号谴形目 42步行实验 机器人样机长75 cm，宽50cm、高50 em，重14k．分别让机 器人进行了行走、小 跑、溜步、奔跑步态的 实验。图9为实地步 行试验图。 ● Ⅲ9宴地步行E验圈 实验表明，当机器人处于行走步态时，同一时刻 只有一条腿处于摆动相，重心变化范围小，通过补偿 关节角。步行动作可持续进行，处于其他步态如小 跑、捆步、奔跑时，重心变化范围较大，盖节角不能及 时响应到达，容易造成跌绊和摔倒。为了提高机器 人的行走速度，应该再对机械结构进行改进，使用性 能更好的驱动器。 S结语 采用dsPIC30F6014A和dsPIC30F4012芯片设 计了吼狗为仿生对象的四足机器人电控系统，充分 利用了芯片的高效运算处理能力和丰富的片内资 源，使得系统硬件电路设计更为简单可靠，软件设计 也易于实现。通过实验可以看出，该控制系统设计 合理，能够对四足机器人在四种步态下的行为进行 有效控制，并具有较强的扩展性，基本瞒足自主移动 机器人控韶系统的要求。 参考文献 1】#自*n#^}fM】|匕女■华女#＆K#。2瞄 2】膊$．#月，ⅢiⅢ#E$#na^i自#d#＆“[M] 女口$十##★{mm#，2瞄 3】}圳L．TⅫ。R．MLcbeLO．ddAibaandwd胁⋯uln啪刊⋯【d刊唧hⅡmFl口mIh『J1Et^Ⅲalnd ^Ⅲ“—B目n⋯200654；472一郴 4】，，日En#^自＆§**d【D】日nIn^{，2嘲 5】№Ⅱ岫d∞一ct—vM，s珊l‰口vc柙MRHD∞“州d ”日dmb出删umdbyb瞄l咖I)Crml椰fc]∥～*nc∞col卜H“aft．ⅫeWA2。0$1430一L435 ”imn《i(1％5)．女，Ⅲ±ⅢR±．々n女自自％＆n* 自}#t&”#n#＆§*。 万方数据 基于DSP的四足机器人电控系统设计 作者： 陈玉， 李声晋， 卢刚， CHEN Yu， LI Sheng-jin， LU Gang 作者单位： 西北工业大学,陕西西安,710072 刊名： 微特电机 英文刊名： SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)： 2011,39(3) 被引用次数： 1次 参考文献(5条) 1.蔡自兴 机器人学 2006 2.陈学东;孙翊;贾文川 多足步行机器人运动规划与控制 2006 3.Hohl L;Tellez R;Michel O Aibo and Webots:simulation,wireless remote control and controller transfer 2006 4.尹真 四足机器人电控系统研制 2008 5.Hernandez-Guzman V M;Santibanez V;Campa R PID control of rigid robots actuated by brushless DC motors 2008 本文读者也读过(9条) 1. 祁广利.张浩.闫永志.李宇.QI Guangli.ZHANG Hao.YAN Yongzhi.LI Yu 直接驱动机器人关节的DSP控制[期刊论 文]-机床与液压2008,36(8) 2. 如何治疗高楼之殇[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-四川党的建设（城市版）2011(2) 3. 吴成东.赵博宇.陈莉.WU Chengdong.ZHAO Boyu.CHEN Li 一种基于DSP的爬壁机器人控制系统设计[期刊论文]- 沈阳建筑大学学报（自然科学版）2011,27(2) 4. 叶青 机器猫[期刊论文]-作文大王2009(19) 5. 陈德明.王润孝.冯华山.段清娟.CHEN De-ming.WANG Run-xiao.FENG Hua-shan.DUAN Qing-juan 四足仿生机器 人关节运动控制器的设计与实现[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术2007(5) 6. 王晶丹.王剑红.WANG Jing-dan.WANG Jian-hong 露天矿半连续系统高压供电方式的探讨[期刊论文]-露天采矿 技术2011(2) 7. 徐盟菊 浅谈如何推进高层建筑消防工作开展[期刊论文]-法制与社会2011(5) 8. 超高层消防车[期刊论文]-现代职业安全2011(2) 9. 黄汝锐 高校学生综合楼智能电能计量系统的应用[期刊论文]-科技创新导报2009(27) 引证文献(1条) 1.苏晓东.罗庆生.李华师.孙祥溪 仿生四足机器人控制系统设计[期刊论文]-机械设计与制造 2013(2) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wtdj201103003.aspx