基于MSP430控制系統(tǒng)對機器人帶有三軸陀螺儀舵機可靠性的措施

陶　砂,曲鳴飛

（北京電子科技職業(yè)學院自動化工程學院,北京 100176）

基于MSP430控制系統(tǒng)對機器人帶有三軸陀螺儀舵機可靠性的措施

陶砂,曲鳴飛

（北京電子科技職業(yè)學院自動化工程學院,北京 100176）

摘要：類人形機器人在運動時，雙足處帶有三軸陀螺儀舵機，可同時測定6個方向的位置,并能加速，移動軌跡。而單軸的只能測量兩個方向的量，即1個系統(tǒng)需要3個陀螺儀，而1個3軸的就能代替3個單軸的。由于MSP430控制系統(tǒng)是一款低功耗芯片，對類人形機器人運動需長時間靠三軸陀螺儀舵機，平衡類人形機器人運動，達到控制目的。

關(guān)鍵詞：MSP430控制系統(tǒng)；三軸陀螺儀；舵機；類人形機器人運動可靠性

0　引言

類人形機器人運動可靠性是機器人運動一項基礎技術(shù)，以三軸陀螺儀自動平衡機器人運動，利用舵機形成關(guān)節(jié)，完成機器人的各種運動，由于機器人的自由度多寡，造成功耗大，采用低功耗芯片MSP430控制系統(tǒng)有利對整個系統(tǒng)可靠性得到提高。

1　MSP430系統(tǒng)對機器人三軸陀螺儀舵機系統(tǒng)

對角速度的測量是三軸陀螺儀發(fā)揮出的其最大的用處，用這種辦法來判斷事物的運動態(tài)勢，鑒于此，人們也叫它運動狀態(tài)的傳感器，換個說法，類人形機器人之所以知道自己“在哪兒和去哪兒”就是它起的作用。加速傳感器是一種用來測定加速的計量儀器它構(gòu)成一定的慣性為之導航和慣性的制作和引導系統(tǒng)的最基礎的測量用的原件的一部分，測量加速度的儀器安裝在運動物體的里面，這樣就可以測量到物體運動產(chǎn)生的加速度，從本質(zhì)上說它只是一個振蕩系統(tǒng)。

當測量加速度的儀器與外界的事物（此事物的加速度就是需要測量的加速度）一起共同來作加速的運動的時候，此物體因為所受到的慣性的作用就會向與之相反的方向運行，這是MEMS類加速度計的工作原理。由于彈簧的限制再加上阻尼器的限制物體發(fā)生的位置變動，經(jīng)由電壓的放出就能測出到外部的加速的大小。類人形機器人定位運動是如何通過三軸陀螺儀與加速傳感器配合的輔助實現(xiàn)的呢，從MEMS陀螺儀在實際運用說，陀螺儀測量的角速度是沿著一個軸或者多個軸運動與MEMS加速度測量儀可以產(chǎn)生優(yōu)勢上的互補，如果把加速度測量儀和陀螺儀組合起來使用，就可以對三維空間的整個運動狀態(tài)進行設計、跟蹤、捕捉，給精確的類人形機器人運動系統(tǒng)定位。想要準確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運動的狀態(tài)，就需要加速度計和陀螺儀設計運用。

需要快速反應和高分辨率的旋轉(zhuǎn)檢測只靠使用陀螺儀就可以完成。對于有原有的重力參照物、非直線運動或存在線性，但其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的運動被圈定在一個有限的范圍內(nèi)的應用，可使用單純使用加速度計的方案。如果同時處理旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，陀螺儀計和加速度的方案為最佳選擇。除此之外，為了使我們手中的的陀螺儀具的機械噪聲減小和加速度提高，或為減少加速度測量儀的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的誤差，那些設計者就會用磁力計來替換舊模式用陀螺儀，由此產(chǎn)生的傳感方面的功能，相應的定位也因此完成，這樣陀螺儀就術(shù)業(yè)有專攻了。由此說明，MEMS陀螺儀技術(shù)應用的趨勢向混合的陀螺儀、磁感應計或加速度計相結(jié)合的方案發(fā)展。而就有的加速度儀器的使用，產(chǎn)生的效果不是反應快噪聲大就是反應慢輸出純凈；要想得到既純凈又反應敏捷的輸出只需將陀螺儀與加速度計相結(jié)合就可以了。

運用自己熟悉的定位測量等的原始的速度，對加速度的值進行累加，就可獲得機器人所載物的位置、速度等一系列的信息。鑒于此，加速度測量儀的性能和精確度直接影響著機器人以及運動系統(tǒng)的可靠性。三軸陀螺儀的工作原理圖如圖1與芯片如圖2所示。

圖1　三軸陀螺儀工作原理

圖2　三軸陀螺儀芯片

2　低功耗MSP430單片機對三軸陀螺儀舵機可靠性的保證體系

類人形機器人是機器人學中的一個重要分支，其完成運動、控制任務的關(guān)鍵來自準確定位。使用一套類人形機器人，研究了類人形機器人的定位技術(shù)，設計了MSP430單片機定位子系統(tǒng)及上位機重心定位軟件。分析對運用于機器人國內(nèi)外定位技術(shù)的研究，使用MEMS三軸陀螺儀定位系統(tǒng)所采取的定位方法，用MSP430F6638來當做微控制器，從而分析出類人形機器人在收模塊發(fā)給他的協(xié)議定位的有效數(shù)據(jù)后，由LCD模塊加以呈現(xiàn)，并以RS485接口與上位機通過電平轉(zhuǎn)換電路達到通訊。類人形機器人定位系統(tǒng)的組成與定位原理，常用的時間坐標系與坐標系和進行加以定位產(chǎn)生的誤差分析，兼顧分析協(xié)議的有效數(shù)據(jù)的研究，使消息解析函數(shù)、消息校驗、和定位數(shù)據(jù)接收、時間日期調(diào)整函數(shù)等算法得以實現(xiàn)，還有跟上位機進行聯(lián)系的Modbus協(xié)議。為了讓定位信息的獲得更加直觀的呈現(xiàn)，設計用了VB開發(fā)的上位機對機器人重心定位軟件，以定位子系統(tǒng)和MEMS三軸陀螺儀傳感器子系統(tǒng)的串口通訊，完成了基于類人形機器人的定位任務。

MSP430單片機能節(jié)省能源、降低消耗，類人形機器人身上套用它就是低功耗，工作模式得以延長。這是因為，處理器的使用要考慮到幾個方面，第一降低工作電壓；第二把關(guān)掉暫時不用的模塊功能，減少耗電量；第三降低工作時鐘的頻率。MSP430的電壓已降至3.3V，相比較而言雖不是最低，相對來說是很低很低了；MSP430單片機的典型之處在于：一是把一顆芯片可以幾個甚至多個分異樣的模塊部分，暫時不需要的部分功能模塊就可以先關(guān)掉，節(jié)約用電量；二是它有三個時鐘源，更多的可用的內(nèi)部工作頻率由此產(chǎn)生，使得不同的的頻率有內(nèi)部各個模塊在此工作，暫時用不到的時鐘就可先關(guān)閉。此典型的方法的設置是通過軟件來實現(xiàn)的，具體說來，MSP430系列單片機有6種不同的工作模式：

（1）活動模式—M這時的工作模式最正常，這時CPU所消耗電能處于最高狀態(tài)。

（2）低功能消耗模式0—LPM0CPUOff置位，CPU不活動，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK和MCLK信號處于活動狀態(tài)，MCLK的鎖頻工作正常，相關(guān)的控制位設置為：SCG0=0，SCG1=0，0scOff=0，CPUOff=1。

（3）低功功能消耗模式1—LPM1CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)不工作，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK與MCLK處于活動狀態(tài)，相關(guān)控制位設置為：SCG0=0，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（4）低功能消耗模式2—LPM2CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)不工作，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK活動，MCLK停止，相關(guān)控制位設置為：SCG0=0，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（5）低功能消耗模式3—LPM3CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK不工作，DCO的DC發(fā)生器關(guān)閉，外圍模塊處于工作狀態(tài)，但ACLK信號仍保持活動，相關(guān)控制位設置為：SCG0=1，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（6）低功耗模式4—LPM4 CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK不工作，晶振停止，外圍模塊保持工作狀態(tài)，相關(guān)控制位設置為：SCG0=x，SCG1=x，0scOff=1，CPUOff=1。

3　三軸陀螺儀舵機可靠提高策略

三軸陀螺儀的調(diào)試過程，由于三軸陀螺儀舵機比較穩(wěn)定，受到了很多用戶的好評，下面介紹一款ZYX-s版的三軸陀螺儀的調(diào)試過程，調(diào)試過程是提高三軸陀螺儀可靠性的有力保障。

（1）機器人的機械部分安裝與調(diào)整：1）舵機安裝就位，暫時不裝三軸陀螺儀，舵機線直接插進接收機對應通道，舵機暫時不裝舵機四肢。按程序遙控、接收機上電，所有舵機歸零，這時將舵機四肢裝在軀體上。此時由于舵機出軸的齒牙關(guān)系，舵機四肢可能不會非常水平，差一點角度，不要緊，暫時擱置后期處理；2）將舵機頭部扣裝在軀體上，這舵機拉桿要一樣長，具體的長度先不要管它，到調(diào)整關(guān)節(jié)螺距時再細調(diào)。最后安裝到舵機四肢與十字盤上。兩個十字盤與關(guān)節(jié)夾的拉桿也要一樣長，暫時裝到十字盤與關(guān)節(jié)夾上；3）計算機裝ZYX軟件，方法按說明書操作進行，這里不復述。

（2）遙控器設置：1）在遙控上新建一個十九自由度機器人，選擇一個沒有任何混遙控功能的十字盤模式（非CCPM模式）。打開系統(tǒng)設置，找到十字盤類型進入，選擇“普通”保存后退出；2）檢查遙控器各個設置項，退出一切遙控形式，設置各項保持出廠狀態(tài)。

（3）直機上安裝三軸陀螺儀硬件，按陀螺儀的說明書接好全部連線，遙控、接收機上電，陀螺儀進入自檢，約十幾秒，陀螺儀串燈閃爍，最后一個紅燈或綠燈常亮，陀螺儀自檢成功。

（4）將陀螺儀的數(shù)據(jù)線與計算機連接好，點擊軟件圖標進入設置界面，再點擊“連接”按鈕，待三個紅燈轉(zhuǎn)為綠燈時為連接成功。

（5）點擊“調(diào)機界面”進入，這以后可以按軟件向?qū)нM行了，這里主要介紹的是機器人螺距的調(diào)整。

（6）機器人螺距的調(diào)整：1）遙控上電、接收機上電、ZYX自檢完畢，遙控的推桿推到50％，此時查這個斜盤舵機四肢應該呈水平狀態(tài)，螺盤螺距為零度。如果這個斜盤舵機某一個沒有達到水平，可打開調(diào)機界面第7項“舵機微調(diào)”，進行微調(diào)使這個舵機四肢水平；2）推桿不動（保持50％）查螺盤的螺距是否為0度，如果不是0度，可調(diào)整這個舵機拉桿和二個關(guān)節(jié)夾拉桿，使關(guān)節(jié)螺距為0度；3）將遙控的推桿推到100％，查關(guān)節(jié)螺距是否為10-11度，超出或小于此螺距可調(diào)整，可調(diào)整“調(diào)機界面”第10項“總距系數(shù)”，使關(guān)節(jié)達到正10-11度；4）打開遙控的螺距曲線進入，將負螺距曲線端點上調(diào)，使主盤為負2度，然后將負螺距端點與0螺距之間的曲線調(diào)直，至此，螺距的普通模式便調(diào)整完畢；5）普通螺距設定好之后，3D螺距基本上不用設置，遙控的3D開關(guān)撥到3D模式，機器人便進入了3D狀態(tài)，撥動推桿機器人的關(guān)節(jié)會出現(xiàn)正負10度的螺距變化。如有差異可將遙控的螺距曲線也切換到3D曲線，微微調(diào)節(jié)一點也就行了，此時整個螺距設置宣告完成，三軸陀螺儀實物與三線和四線連接方法，如圖3所示。

圖3　三軸陀螺儀實物與三線和四線連接方法

由于機器人的舵機與三軸陀螺儀的正確工藝安裝，是提高三軸陀螺儀舵機可靠性策略的關(guān)鍵所在，萬萬不能忽視。

4　結(jié)束語

本文詳細定性介紹了類人形機器人的三軸陀螺儀舵機可靠性的三種方法，即采用低功耗MSP430控制器、軟件控制模式、和工藝安裝技術(shù)要點，比較并分析了這些方法的適用階段及其特點，對類人形機器人長時間工作的評估，提供了方法的選擇和理論依據(jù)。類人形機器人的設計者可以結(jié)合自身機器人的特點及可靠性需求，選擇有效方法。

參考文獻：

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作者簡介：陶砂（1960—），男，碩士研究生，高級講師，主要從事：嵌入式系統(tǒng)和機器人的教學與應用研究。