仿袋鼠跳跃机器人用关节运动控制器设计

收稿日期:2010-05-20

基金项目:国家863基金资助项目(2007AA 04Z 207);国家自然科学基金资助项目(50975230)

作者简介:郭本振(1985 ),男,山东德州人,硕士研究生,主要研究方向为先进机械电子装置及计算机数字控制系统;李声晋(1964 ),男,陕西西安人,教授,博士生导师,主要研究方向为机电控制和运动控制系统设计及其数字控制技术;卢刚(1964 ),男,陕西西安人,教授,硕士生导师,主要研究方向为运动控制系统和伺服系统设计及其控制技术。

仿袋鼠跳跃机器人用关节运动控制器设计

郭本振,李声晋,卢 刚

(西北工业大学机电学院,陕西西安 710072)

摘要:设计了一种基于TI 公司高性能浮点DSP TMS320F28335和双全桥P WM 电机驱动器DRV 8402的仿袋鼠跳跃机器人关节运动控制器。控制器实时采集机器人3个关节相对运动角度,利用积分分离的PI D 控制算法实现关节驱动电机位置闭环控制。设计了基于Lab W i n do w s/CV I 的上位机测控软件,制作了控制器样机并进行系统联调,实验结果表明控制器设计合理,方案可行。关键词:DSP ;P WM;关节运动控制器;积分分离PI D

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2011)02-0038-04

D esign of Joi ntM otion Controller U sed in H oppi ng K angaroo Robot

GUO Ben zhen ,LI Sheng ji n ,LU Gang

(Schoo l ofM echa tron i cs ,N orth w estern P olytechn i ca lU n i versity ,X i an 710072,China)

Abst ract :A j o intm oti o n contro ller used i n hopp i n g kangaroo robot is desi g ned .It is based on TI s high per fo r m ance floating po int DSP TM S320F28335and dua l fu ll bri d ge P WM m o tor dri v er DRV8402.Angular dis

p lace m ent o f three jo i n ts is co llected i n rea l ti m e by the controller .I n tegra l separation PI D a l g orith m is used to achieve positi o n closed l o op contr o.l A con tro l soft w are based on Lab W indo w s/C V I is designed and a pr o totype is produced .Experi m enta l results show that the con tro ller desi g n is reasonable and feasi b le .K ey w ords :DSP ;DWM;jo i n t mo tion controller ;i n tegral separati o n PI D 不同于轮式机器人和步行机器人,跑跳方式运动的机器人不但越障能力强,可越过数倍于自身高度的障碍物,而且对地面环境要求不高,可以在复杂地面环境下平稳运动。袋鼠的跳跃在四足动物中最具特点,其奔跑速度快,能耗小,对地面环境要求低,运动相当平稳。仿袋鼠跳跃机器人是一种依据仿生学原理,可以模拟袋鼠跳跃运动的一种跑跳式机器人,在未来星际探索、军事侦查以及反恐等方面具有广阔的应用前景

[1-3]

1 硬件设计

1.1 总体方案设计

仿袋鼠跳跃机器人采用一个60W 有刷直流电机驱动机器人踝关节,两个20W 有刷直流电机分别驱

动机器人髋关节和膝关节。要实现机器人的位姿控制,实际就是控制各关节驱动电机正转或反转,使各关节相对角度与指令设定角度相同,实现角度位置伺服。图1所示为系统总体结构图,3只导电塑料角位移传感器配合信号放大调理电路实时反馈各关节相对位移角度,DSP 模块实现积分分离的PI D 位置闭环算法,其P WM 模块输出3对P WM 信号经驱动芯片后控制关节驱动电机正转或反转。另外设计了RS422通信接口,实现控制器与PC 机的对接,通过上位机软件实时监测关节位移角度并修改控制参数,使调试方便。1.2 主控制芯片

系统要求对仿袋鼠跳跃机器人的3个运动关节同时实现角度位置伺服控制,控制器主控芯片需进行3路PI D 位置闭环计算,同时输出3对P WM 驱动信号并通过URAT 接口实时向上位机反馈各关节角度位移,实现数据通信功能。现选择TI 公司高精度浮点数字信号处理器T M S320F28335作为控制器的主控芯片。该芯片主频达到150MH z(时钟周期为6.67ns),采用核心电压1.8V 、I/O 电压3.3V 的低功耗设计,

高性能的32位中央处理器,哈佛总线结构,具有快速中断响应和处理能力、统一寻址模式和高效的代码转换功能(支持C /C ++和汇编语言);具有32位浮点处理单元,能更快地处理数据,峰值运算速度可达3亿次/s 浮点操作(MFLOPS);有88个可配置的I/O 口,增强型P WM 模块有多达18路的P WM 输出,带死区设置,高频斩波,灵活跳闸,事件触发等功能,其中有6

路为T I 特有的更高精度的P WM 输出(HRP WM );A /D 模块带内置采样/保持的12位16通道ADC ,增强型CAP 模块拥有4个32位捕捉单元;具有边缘限定器、事件预分频器和序列发生器,增量和绝对时间模式以及32位P WM,支持6个D MA 通道,MCBSP 和E M I F 。与前代DSP 相比平均性能提升50%,并与定点C28x 控制器软件兼容

[4-6]

图1 系统总体框图

1.3 驱动芯片的选择

60W 和20W 关节驱动直流电机额定工作电压都为24V,额定工作电流分别为3.44A 和1.17A,DSP 输出的P WM 控制信号高电平为3.3V,需要配合相应的驱动电路来实现电动机的可逆控制。目前通常使用分立开关元器件搭建H 桥驱动电路,但由于本系统中需要同时驱动3台电机,如果3个H 桥型驱动电路由分立开关元件搭建,势必使控制器体积庞大,而且很难做到电路的过流、过压保护功能。本方案选用两片T I 公司的双全桥P WM 电机驱动器DRV8402实现对3台直流电机的可逆控制。DRV8402内置两路H 桥驱动电路,开关器件为低导通电阻MOSFET ,效率高达96%,工作电压达50V,单桥臂持续输出电流为5A,最大输出电流达12A 。P WM 控制信号频率在500

k H z 条件下仍可正常工作[7]

,内置过流、过压、欠压、过温保护功能,并可输出错误信号。每个桥臂都有单独的供电和地引脚,器件采用PSOP 封装,体积小、外围器件少,不需外接肖特基二极管。1.4 T M S320F28335与DRV8402接口设计

当电动机驱动芯片上通过高压大电流时,为防止在驱动芯片失灵情况下烧毁DSP 主控芯片,在DSP 与电机驱动芯片之间设计了隔离电路,实现了弱电控制电路与强电驱动电路的电气隔离。DSP 输出6路P WM 信号、1路RESET 复位信号给2只DRV 8402,DRV8402在发生过温或过流故障时输出错误信号给DSP 。控制器正常工作时输出P WM 控制信号频率为100kH z ,为使P WM 信号可靠传输,本设计选用AD I 公司一款双通道数字隔离器ADu M 3200代替传统高速光耦,实现P WM 信号主控芯片与驱动芯片之间的电

气隔离。ADu M 3200是一款基于AD I 公司的i C oup ler 技术的双通道数字隔离器,其结合了高速C MOS 和单片变压器技术,可提供优于光耦等替代器件的出色性能特征。错误信号与RESET 信号为低速信号,选用TLP521型光耦实现信号隔离。1.5 关节角度监测电路设计

本方案选用3只电阻式导电塑料角位移传感器,传感器标称阻值3k ,有效测量角度为270 ,线性度为0.1%。方案中传感器用5V 电压供电,而T M S320F28335的A /D 模块输入管脚允许最大输入电

压为3V [8]

,信号调理电路完成角位移传感器输出模拟信号的放大调理。运放选用AD I 公司低功耗、低偏置运放AD8602。1.6 通信接口电路设计

本系统有与PC 机进行数据通信的功能,本方案选用M ax i m 公司的SP491E 芯片将DSP 异步串行口(URAT)模块输出的数据转换为RS422差分信号,在PC 端采用RS422 RS232转换器将差分数据信号转换为RS232信号传至上位机。

2 软件设计

2.1 积分分离的PI D 位置闭环算法

采用一种适当的算法对角位移传感器反馈回来的实时角位移数据进行处理是软件设计的关键,将直接影响驱动电机控制的精度与系统的响应速度。本设计中采用积分分离的PI D 位置闭环算法,以下对其进行详细介绍。

在数字PD 控制系统中引入积分环节,可以很好地消除静差,提高控制精度。但在系统偏差很大时,完

全PI D 控制会造成PI D 计算的积分饱和,使系统超调量变大,严重时还会造成系统震荡。采用积分分离的PI D 控制算法,在保留了引入积分环节使控制精度提高基础上,又减小了系统超调量。该算法的表达式为

u(k )=K p e(k)+a K I

i=1

e(i)+K

D

[e(k )-e(k -1)]

式中,a 为积分项的逻辑系数,即

a =

1, |e(k)|

采用P I D 控制

0,

|e(k)|> 采用PD 控制

式中, 为人为设定的阈值,当偏差大于阈值时采用

PD 控制算法,小于等于阈值时采用PI D 算法。2.2 下位机软件设计

下位机软件包括系统初始化主程序、P WM 1/2/3中断子程序、T i m er0中断子程序、SC I 接收中断子程序和P WM 1跳闸中断子程序。在初始化主程序中配置的P WM 1/2/3中断频率为100k H z ,T i m er0中断频率为1

kH z 。SC I 模块配置为接收FI FO 内有5个数据时产生SC I 接收中断,波特率配置为115200。DSP 在收到FAULT 信号时进入P WM 1跳闸区中断子程序。程序流程图如图2所示。

图2 下位机程序流程图

2.3 基于Lab W i n do w s/CV I 的上位机测控软件设计

在系统的调试阶段,机器人的位姿指令需要经常调整,积分分离PI D 算法的P 、I 、D 参数也需要频繁修

改,以达到最佳控制状态。通过上微机软件,可以在不

改变下位机程序的前提下,很方便地对下位机中位姿指令和P 、I 、D 参数进行修改,并可实时监测机器人3关节的角位移。本方案中开发了一种基于Lab W i n do w s/CV I 的仿袋鼠机器人上位机测控软件。

Lab W indo w s /C V I 是美国N I(N ati o na l I nstru m ent)公司推出的32位面向计算机测控领域的虚拟仪器开发平台,可以在多个操作系统下运行,利用C 语言编程,可以方便快速搭建自定义测控平台。此外模块化的数据处理方法,使软件开发效率得到极大的提升且易于升级[9]

。本上位机软件的功能是,通过配置并打开串口,接收下位机传回的实时关节角位移数据,发送位姿指令和PI D 参数以及位姿指令间隔。上传的关节角位移以数据和曲线的方式实时显示。上位机软件界面如图3所示。为调试方便,位置指令都用机器人关节角度信号对应的A /D 转换值代替。

图3 上位机测控软件界面

3 实验验证

为验证方案的可行性,制作了控制器样机并与现有的仿袋鼠跳跃机器人样机进行系统联调。图4为仿袋鼠跳跃机器人调试平台搭建完成后的照片。

图4 仿袋鼠跳跃机器人调试平台

用M atlab 软件对仿袋鼠跳跃机器人进行建模,采用关节空间轨迹规划方法对机器人运动动作进行规划,得到机器人一个运动周期的步态(如图5所示)。同时得到一个步态运动周期中机器人各空间位置对应的3个关节角度值。选择一个步态运动周期中6个位

置进行机构和控制器的合理性验证,在上位机软件中配置打开串口,输入6个位置对应关节角度位置指令值、PI D 参数、指令间隔周期,并发送至下位机。

图6

为仿袋鼠跳跃机器人按上位机软件控制参数

图5 仿袋鼠跳跃机器人M a tlab 步态

仿真

图6 仿袋鼠跳跃机器人运行图片

实际运行的照片。通过对比可以看出,机器人样机的运动轨迹与理论规划的机器人运动轨迹基本相符,从而证实了运动控制器及样机机构设计的合理性。

4 结束语

作为仿生机器人的一种,仿袋鼠跳跃机器人的研究在国内尚处于起步阶段。本方案设计了基于T M S320F28335的仿袋鼠跳跃机器人关节运动控制器并制作了样机,对机器人关节的驱动方式及机构设计合理性进行初步测试,在后续调试中还要在控制算法和机械结构的优化方面进行一系列改进。参考文献:

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(上接第37页)

4 结束语

以上设计并实现了一种基于温备份方式的嵌入式

电力监控故障容错解决方案,相比热备份方式,该方案在降低系统开销的同时有效地提高了系统的稳定性,为在恶劣环境工作的嵌入式电力监控系统的安全性提供了可靠保证。本设计已经运用到实际开发的系统中,并在多家电站和供电局的信息系统中取得了良好的运行效果。参考文献:

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