基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现

摘要：针对微小型步行机器人对控制系统的性能要求，介绍了一种可用于步行机器人多关节驱动的控制系统的设计。该系统以仿生机器蟹为设计对象，采用ＤＳＰ作为核心控制器。提出了多层多目标分布式递阶控制系统的设计方案，并介绍了仿生机器蟹单步行足的软、硬件设计方法。 关键词：步行机器人 ＤＳＰ 伺服控制 分布式 仿生机器蟹控制系统需要较高的控制精度和运算速度，以便在机械结构刚度较高的情况下，通过提高响应速度来确保机器人的正常行走和姿态控制。由于在机器蟹腿节和胫节置有两个电机（如图１所示），使其质量较大，同时由于体积的限制使得各步行足相互间距较小，因此将造成机器蟹在行走过程中耦合较强，控制模型受躯体位姿、步行足位形和步态等因素的影响较大。这就要求控制系统控制结构灵活，具有调整步行足轨迹和步态的能力，并能适应控制模型的变化。因此必须研制一种具有强大运算处理能力、软硬件结构模块化的机器蟹控制系统。 从作业任务来看，两栖仿生机器蟹的主要设计目的是用于未来的两栖军事侦察，因此要求其具有自主性、智能化的特点，并应从实用性角度出发来设计嵌入式的控制构架。 控制系统的设计目标为： （１）对各个关节实施快速准确的位置控制； （２）协调步行足各关节之间的运动以及各步行足的运动，以实现预期的目标轨迹； （３）实时地采集、处理传感器的数据，以便在控制系统的信号综合中使用； （４）实现机器人步态规划、运动方程的求解以及控制指令的快速传输； （５）具有良好的控制结构和接口，便于高层控制软件的开发； （６）有一定的预留接口、良好的兼容性和扩展性，以便进行功能扩展和二次开发与研究； （７）具有模块化结构，以便调整步行足的数量，适用于不同步态形式的控制。 １ 多层多目标分布式控制概念及控制框架 仿生机器蟹是一个复杂的控制对象，从体系上讲，其每条步行足都是一个多自由度的串联臂机器人。要实现有效的控制，除要对每条步行足的三个驱动关节进行准确高效的控制外，多条步行足之间还要相互协调，共同完成某一确定工作。同时应考虑到各条步行足运动空间之间的相互重迭、相互干扰所形成的强耦合。常用的控制方法有分散控制、分布式控制和递阶控制三种形式。由于递阶控制系统具有控制结构清晰、层次分明的特点，而分布式控制系统便于采用模块化结构且可扩展性好，因此机器蟹控制系统采用递阶控制和分布式控制相结合的控制结构设计。由于其控制结构较复杂，所以将整个控制体系分为任务规划、任务分解、躯体路径规划、运动协调、步行足轨迹规划、运动学／动力学计算、电机伺服控制等多层结构，而且每层之间要通过上层进行运动协调，例如各个步行足之间的运动控制协调，需要步行足控制层通过步行运动协调层交换信息。每条步行足的指关节之间的控制也是如此。因此，机器蟹控制系统采用多层多目标分布式递阶控制系统，如图２所示。 第一层称为“动机层”，它使得机器人本体能够做到完全的自主。其目的是将由外部环境变化或操作者命令引起的本体内部的响应翻译成对机器人本体的高级命令。 第二层是“躯体路径层”，它接收“动机层”给出的高级命令，将其转化为一系列的本体内部的描述量及认知图，进而给出机器人自身躯体的运动路径。 第三层称为“步行足轨迹层”，它针对躯体的运动路径给出各个足的具体的运动，包括步态的生成和腿的路径的生成。 第四层是“动力实现层”，它通过驱动组件实现由“步行足轨迹层”给出的足的运动，并对由于系统的动力学不确定性和干扰造成的误差进行校正。 各层之间，上层向下层输出控制量，由下层来具体实施。每执行一步，下层将状态信息实时地反馈给上层。 ２ 单步行足控制系统的硬件设计 按照上述设计方案，采用自下而上的设计思路进行机器蟹控制系统的开发，以保证系统开发的可靠性，同时也符合模块化设计思想：在总体确定后，进行各功能模块的设计，并通过设计模块间的接口来组合成完整的系统。 首先使用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７开发步行足伺服控制器模块，这是为了配合机器蟹样机本体的研制开发而同步进行的，这样有利于控制系统与被控对象间的兼容。 步行足伺服模块包括ＤＳＰ的最小系统、ＲＳ２３２通讯接口、ＤＰＲＡＭ接口、ＰＷＭ输出、电机码盘ＱＥＰ信号检测、码盘计数、关节转角初始定位、力信号检测等部分，如图３所示。伺服控制模块的各外设接口功能如下： （１）ＲＳ２３２通讯接口：实现ＰＣ机与ＬＦ２４０７的上下层通讯，以便在单步行足控制实验中进行控制和状态观察； （２）ＤＰＲＡＭ接口：用于实际机器蟹控制系统的多控制模块级联通讯和伺服模块与ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０系统的通讯； （３）ＰＷＭ输出接口：利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的片内外设生成数字ＰＷＭ信号，作为电机控制信号； （４）码盘计数接口：用于电机转速检测中的正交编码信号（ＱＥＰ）检测、电机旋转方向判断，与关节转角定位信号结合使用，来检测关节转角； （５）关节转角初始定位接口：采集用于关节初始定位的霍尔传感器信号； （６）力信号接口：处理和检测足端ＦＳＲ传感器的接触力信号。 图4 计数器结构框图 ２．１ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的功能介绍 ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列ＤＳＰ芯片是ＴＩ公司于１９９７年推出的低价高性能的１６位定点ＤＳＰ，是专为数字电机控制系统和其它控制应用系统而设计的ＤＳＰ。ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列ＤＳＰ不但具有高性能的ＣＰＵ内核，而且还具有单片电机控制的外设功能。它将数字信号处理器的高速运算能力与面向电机的强大控制能力结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元ＭＣＵ和多片设计系统的理想替代品。经过对ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列芯片功能的比较，选用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作为开发机器蟹步行足控制系统的ＣＰＵ。该芯片除具备通用ＤＳＰ的高速高性能外，片内还配置了大量的外围接口，专用于电机控制开发。 ２．２ 计数器的设计 在计数器的设计过程中采用模块化的设计思想，利用ＭＡＸ＋ｐｌｕｓ ＩＩ软件提供的可调参数化元件库（ＬＰＭ—Ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ Ｍｏｄｕｌｅｓ），选取可调参数化计数器元件ＬＰＭ－ｃｏｕｎｔｅｒ来设计１６位计数器。在该计数器模块上共有９个并行的计数通道，每个通道都包括一个１６位可预置初始值的双向可逆计数器，计数脉冲采用上升沿触发，并具有同步装载初值和异步清零的功能。计数器结构框图如图４所示。在该模块中，还包括电机ＱＥＰ信号组的４倍频处理和方向判断功能电路，并且具有与ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７接口的逻辑电路。 ２．３ 步行足足端力信号检测电路 为了实时获得躯体相对于大地坐标系的位置和姿态信息，步行机器人必须通过大量的外部传感器获得诸如倾角、离地高度等信息。在机器蟹的步行足端部安装了力传感器，利用它检测足端与物体（或地面）的接触力大小，来判断步行足是与外界物体发生碰撞还是接触地面。通过设置碰撞力信号的阈值来判断步行足是可以克服阻力按规划路径继续运动，还是改变运动方式避开障碍，或从摆动相转入支撑相。 ＦＳＲ（Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ）是一种聚合体薄膜装置，其电阻值大小与其活性表面所受正压力大小成正比，这种力传感器对力的敏感程度非常高。机器蟹足端ＦＳＲ检测电路如图５所示。无作用力时，ＦＳＲ阻值Ｒｓ约为５０ＭΩ， 晶体管导通，Ｖｏｕｔ输出为低电平，接近于０Ｖ；当表面受力时，阻值Ｒｓ随力的增加而减小，当Ｒｓ值满足晶体管可靠截止条件时，Ｖｏｕｔ输出高电平。要使晶体管截止必须满足以下条件： (Vcc%26;#183;Rs)/(R1+Rs)＜Ｖｂｅ，即Ｒｓ＜(Vbe%26;#183;R1)/(Vcc-Vbe) ３ 单步行足控制系统的软件设计 在本文设计的机器蟹控制器中，采用分时集中方式和多ＣＰＵ的结构。步行足控制器采用分时集中方式，由一个ＣＰＵ对３条步行足的９个关节进行控制，ＣＰＵ可对各关节的反馈控制策略进行协调控制，完全由软件确立各关节之间的耦合关系。而整个机器蟹的全局控制器结构为多ＣＰＵ结构，由３个步行足控制器（即３个ＣＰＵ控制单元）并联成伺服控制层，并由一个中央控制ＣＰＵ协调控制。机器蟹步行足控制系统的单关节控制过程如图６所示。由ＰＣ机（上位机）将每一个动作任务分解为各关节转角，并每隔一个插补时间Ｔ１执行一次上下位机指令，将下一个Ｔ１时间内各指关节的目标转角指令值发送给ＤＳＰ控制器（下位机）。ＤＳＰ控制器将插补时间内的转角按可控精度进行周期为Ｔ２的插补细分，细分后所得任务为各个关节电机控制中断程序的实际目标指令，并在插补周期时间内实现电机转角位置伺服控制，从而完成步行足的运动控制。除此之外，控制系统软件还包括步行足轨迹规划运算、系统自检和初始化、故障判断、程序终止、力／位置信号采集处理等功能模块。 本文以仿生机器蟹为设计对象，提出了基于ＤＳＰ的机器蟹多层多目标递阶控制系统方案，并对单步行足的软、硬件设计做了详细的阐述，为进一步实现自主式的仿生步行机构奠定了基础。