基于多DSP的輪腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟凡軍，李聲晉，盧 剛，皇甫劍鋒

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

根據(jù)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，地面移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式、腿式、履帶式以及復(fù)合式等類(lèi)型［1］，其中輪式、腿式、履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但也都存在一定的不足［2－3］。采用復(fù)合型移動(dòng)機(jī)構(gòu)既能兼顧上述單一移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又能消除單一移動(dòng)機(jī)構(gòu)存在的不足，提高了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，也使機(jī)器人具有更好跨越障礙能力。輪腿式移動(dòng)機(jī)器人就是一種比較典型的復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。它融合了腿式的地形適應(yīng)能力強(qiáng)和輪式高速高效的優(yōu)點(diǎn)，作業(yè)范圍大，同時(shí)具有優(yōu)越的越障避障能力，但是輪腿式機(jī)器人所面對(duì)的環(huán)境是現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作，是一個(gè)高智能、多系統(tǒng)的復(fù)雜工程系統(tǒng)。這就對(duì)處理器提出了很高的要求，及需要足夠快的CPU來(lái)處理數(shù)據(jù)，完成各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)算，如果只用一個(gè)CPU來(lái)完成機(jī)器人的所有任務(wù)，既降低了控制系統(tǒng)的可靠性，又對(duì)機(jī)器人的整體性能造成一定的影響。故本文通過(guò)對(duì)一種輪腿復(fù)合式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，基于多DSP的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了由5套穩(wěn)定可靠的控制器組成的控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行一系列試驗(yàn)證明，多DSP控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，能使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地轉(zhuǎn)向避障和跨越臺(tái)階和斜坡等典型障礙物。

1 輪腿式機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

整個(gè)機(jī)器人采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，由四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)單元和車(chē)體構(gòu)成。如圖1所示，每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元由一個(gè)擺臂和兩個(gè)車(chē)輪(驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪)構(gòu)成。擺臂布置在車(chē)輪的內(nèi)側(cè)，由安裝在轉(zhuǎn)向臂上的電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)，可以繞著驅(qū)動(dòng)輪中心軸正反向全周擺動(dòng)。車(chē)體在機(jī)器人中部，用于裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設(shè)備。

圖1 機(jī)器人機(jī)械模型

驅(qū)動(dòng)輪采用體積小、質(zhì)量輕、輸出扭矩大的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)減速器輸出至傳動(dòng)軸，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。由于現(xiàn)有電動(dòng)輪的尺寸都比較大，因此，根據(jù)需要自主設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。選擇自帶減速器的直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，減速器輸出軸直接帶動(dòng)車(chē)輪，圓柱形的減速器外殼可以作為軸承安裝軸使用，大大節(jié)省了空間。另外，由于設(shè)計(jì)速度不高，但要求機(jī)器人具有優(yōu)越的越障能力，所以采用了較大的減速比來(lái)提高車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力矩，以滿(mǎn)足粗糙路面的驅(qū)動(dòng)要求。擺臂與驅(qū)動(dòng)輪分屬兩種不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了在驅(qū)動(dòng)軸中心線(xiàn)上滿(mǎn)足要求實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳遞，設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)與其配套的減速器將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳給驅(qū)動(dòng)軸(內(nèi)軸)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)的輪式運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力;擺臂電機(jī)采用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和減速器構(gòu)成擺臂傳動(dòng)鏈，帶動(dòng)外軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擺臂的擺動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的減速器外殼安裝滾動(dòng)軸承，軸承的內(nèi)圈與減速器外殼為過(guò)盈配合，外圈與外軸過(guò)盈，實(shí)現(xiàn)了擺臂和驅(qū)動(dòng)輪的互不干涉的同軸傳動(dòng)。外軸上加工有齒輪，和擺臂電機(jī)輸出軸所帶的齒輪構(gòu)成齒輪副來(lái)傳遞動(dòng)力。而擺臂與外軸固定連接而一起運(yùn)動(dòng)。由于擺臂的擺動(dòng)速度較低，而且在運(yùn)動(dòng)時(shí)要求通過(guò)控制擺臂關(guān)節(jié)角來(lái)抬起車(chē)體，需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩，所以擺臂驅(qū)動(dòng)也選擇較大的減速比。

輪腿式機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)為:整車(chē)質(zhì)量約64 kg;車(chē)輪直徑200mm;外形尺寸614mm×704mm×410mm;支撐輪輪距654mm;擺臂有效長(zhǎng)度210mm;設(shè)計(jì)速度0.1～0.3 m/s;設(shè)計(jì)最大越障高度203mm;設(shè)計(jì)最大爬坡角度31°。

圖2 內(nèi)外軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

2 輪腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輪腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由2個(gè)超聲波傳感器、PC上位機(jī)、主控制器、CAN總線(xiàn)、4個(gè)伺服分控制器、4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、4個(gè)擺臂用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、4個(gè)角位移傳感器組成。擺臂用電機(jī)與角位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)單元，用于控制機(jī)器人擺臂的角位移。PC上位機(jī)發(fā)送模式指令給主控制器，主控制器根據(jù)指令不斷檢測(cè)超聲波傳感器的值，并與伺服分控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖3 輪腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了滿(mǎn)足主控制器和伺服分控制器之間通訊的實(shí)時(shí)性要求，并考慮到系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用CAN總線(xiàn)作為主控制器和伺服分控制器的通訊方式，所有控制器均掛接在CAN總線(xiàn)上。CAN總線(xiàn)具有以下特點(diǎn):多主工作方式;總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求;采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù);通過(guò)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù);直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率5 kb/s以下)，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m);節(jié)點(diǎn)數(shù)可多達(dá)110個(gè);報(bào)文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，每幀都有CRC校驗(yàn)。

主控制器硬件原理框圖如圖4所示。根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)于主控制器的要求和成本要求，該主控制器采用了微芯公司的高性能16位數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F6010A處理芯片。該芯片DSP具有24位寬指令，16位寬數(shù)據(jù)路徑，多達(dá)44個(gè)中斷源，具備兩個(gè)可選飽和邏輯的40位寬累加器，工作速度最高可達(dá)30 MIPS。除此之外，該芯片還具有豐富的外設(shè)，其中最突出的是它包括強(qiáng)大豐富的數(shù)據(jù)通訊能力。該芯片包括3線(xiàn)SPI模塊(支持4種幀模式)，I2CTM模塊支持多主器件/從模式和7位/10位尋址，2個(gè)帶有FIFO緩沖區(qū)的UART模塊，2個(gè)符合2.0B的CAN模塊，這為輪腿式機(jī)器人主控制器和伺服分控制器、上位機(jī)之間的通訊提供強(qiáng)有力的支持。

圖4 主控制器硬件原理框圖

因?yàn)橹骺刂破鹘邮丈衔粰C(jī)的動(dòng)作指令，通訊時(shí)間短且指令頻率低，故本系統(tǒng)選用異步串行總線(xiàn)作為主控制器與上位機(jī)之間的通訊方式。上位工控機(jī)選用RS－232接口，但是在工業(yè)控制等環(huán)境中，常會(huì)有電氣噪聲干擾傳輸線(xiàn)路，使用RS－232通訊時(shí)經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤;另外，RS－232通訊的最大傳輸距離在不增加緩沖器的情況下只可以達(dá)到15 m。為了解決上述問(wèn)題我們選用RS－422作為其通訊方式。本系統(tǒng)選用SP491E芯片，它是一種全雙工的帶三態(tài)控制引腳的低功耗差分RS－422收發(fā)器，它為所有發(fā)送器輸出和接收器輸入管腳提供了ESD保護(hù)。

本系統(tǒng)采用PCA82C250作為CAN總線(xiàn)的接口芯片，該器件可以提供對(duì)CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。在DSP和CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片之間加入光電耦合，可以提高應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)采用高速光電耦合器6N137芯片作為其隔離驅(qū)動(dòng)芯片。該光電器件高、低電平傳輸延遲時(shí)間短，典型值僅為45 ns，已接近TTL電路傳輸延遲時(shí)間的水平，它具有高達(dá)10 Mb/s的高速性能，因而在傳輸速度上完全能夠滿(mǎn)足隔離總線(xiàn)的要求。

伺服分控制器硬件原理框圖如圖5所示。從圖中可知，一個(gè)伺服分控制器能同時(shí)控制兩個(gè)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，從而使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)更加緊湊，控制更加方便。伺服分控制器主要由TMS320F2812處理芯片、供電系統(tǒng)、IR2130驅(qū)動(dòng)芯片、三相橋式逆變器、CAN通訊電路、VCE下管電流檢測(cè)電路等組成。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人的電機(jī)控制系統(tǒng)而言，要想獲得較好的控制品質(zhì)，就需要有足夠快的CPU來(lái)處理數(shù)據(jù)，完成各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)算。TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812是一款32位DSP，工作頻率最高達(dá)到150 MHz，其快速的中斷響應(yīng)能夠保護(hù)關(guān)鍵的寄存器以及快速(更小的中斷延時(shí))響應(yīng)外部異步事件，內(nèi)核采用流水線(xiàn)機(jī)制，從而在高速運(yùn)行時(shí)不需要大容量的快速存儲(chǔ)器。除此之外，它還整合了Flash存儲(chǔ)器、快速A/D轉(zhuǎn)換器、增強(qiáng)的CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口以及多通道緩沖串口等外設(shè)，從而使用戶(hù)能很方便地構(gòu)建無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。

圖5 伺服分控制器硬件原理框圖

根據(jù)三相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)要求:要有六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且同一橋臂上、下功率開(kāi)關(guān)器件要有死區(qū)時(shí)間以避免同一橋臂發(fā)生直通，故本系統(tǒng)選用IR2130芯片作為功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)芯片。它能輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且由于內(nèi)部設(shè)有自舉式懸浮電路，因此只用一路電源，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)化。IR2130可用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于600 V電路中的功率MOS門(mén)器件。其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為250 mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為500 mA，具有電流放大和過(guò)流保護(hù)功能;能自動(dòng)生成上、下側(cè)驅(qū)動(dòng)所必需的死區(qū)時(shí)間(2～2.5 s);具有欠壓鎖定功能，且能指示欠壓和過(guò)電流狀態(tài);輸入端有噪聲抑制功能。

除此之外，本控制器還設(shè)計(jì)有下管VCE電流檢測(cè)電路，如果下管經(jīng)過(guò)電流超過(guò)閾值，檢測(cè)電路將通知IR2130和DSP，從而有效地保護(hù)了MOS管。

3 輪腿式機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)

輪腿式機(jī)器人要進(jìn)行穩(wěn)定可靠的動(dòng)作，硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。根據(jù)輪腿式機(jī)器人環(huán)境對(duì)象(臺(tái)階、斜坡)和動(dòng)作要求的不同，將整個(gè)系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)向模式、斜坡模式和臺(tái)階模式。上位機(jī)向主控制器發(fā)送模式指令，主控制器根據(jù)模式指令啟動(dòng)相應(yīng)的控制策略。

3.1 轉(zhuǎn)向模式、斜坡模式

本機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行了電子差速，即控制車(chē)體兩邊的驅(qū)動(dòng)輪以不同速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向動(dòng)作。主控制器發(fā)送不同的占空比的CAN報(bào)文給兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪控制器，從而實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向，流程圖如圖6所示。本機(jī)器人進(jìn)行上斜坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需控制4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和車(chē)體前端超聲波傳感器便可出色的完成上斜坡運(yùn)動(dòng)，流程圖如圖6所示。開(kāi)機(jī)后，主控制器發(fā)送CAN報(bào)文，通知伺服分控制器以50%的占空比驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，使機(jī)器人做較慢的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)主控制器接收到上位機(jī)的斜坡指令后，不斷檢測(cè)車(chē)體前端超聲波傳感器，當(dāng)車(chē)體運(yùn)動(dòng)到傳感器感應(yīng)閾值時(shí)，主控制器再次發(fā)送CAN報(bào)文，通知伺服分控制器以70%占空比提高直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的供給功率，從而增大電機(jī)輸出力矩，提升機(jī)器人爬坡能力。

圖6 轉(zhuǎn)向、斜坡模式流程圖

3.2 臺(tái)階模式

機(jī)器人進(jìn)行跨越臺(tái)階動(dòng)作時(shí)，控制比較復(fù)雜，它運(yùn)用了控制系統(tǒng)的全部硬件資源，其流程圖如圖7所示。在車(chē)體前端超聲波傳感器未到達(dá)指定值時(shí)，機(jī)器人的行走策略同斜坡模式相同。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)體前端超聲波傳感器探測(cè)值到達(dá)設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人通過(guò)主控制器向伺服分控制器發(fā)送前擺臂位置指令，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前擺臂和四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行前輪。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)體后端超聲波傳感器探測(cè)值到達(dá)設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人通過(guò)主控制器向伺服分控制器發(fā)送后擺臂位置指令，從而驅(qū)動(dòng)兩個(gè)后擺臂和四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行后輪。

圖7 臺(tái)階模式流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 CAN 總線(xiàn)通訊試驗(yàn)

各個(gè)控制器之間的通訊是通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，圖8a和圖8b分別是主控制器和伺服從控制器發(fā)送的CAN報(bào)文，圖中CAN總線(xiàn)的波特率均設(shè)為500 kb/s。

圖8 通訊中的CAN報(bào)文

4.2 轉(zhuǎn)向試驗(yàn)

不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)器人轉(zhuǎn)向特性對(duì)比，采用差速轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行比較。運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下:

第一種情況:左側(cè)輪速度0.13 m/s，右側(cè)輪速度 0.18 m/s;

第二種情況:左側(cè)輪速度0.08 m/s，右側(cè)輪速度 0.22 m/s。

4.3 斜坡試驗(yàn)

以木板為斜面，下墊木塊，搭建斜坡路面。通過(guò)調(diào)整木板下磚塊的位置，可以調(diào)節(jié)木板的斜度，達(dá)到調(diào)節(jié)路面坡度的目的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得出機(jī)器人可以爬越的最大坡度為29.6°(斜坡在地面的投影長(zhǎng)為202mm，對(duì)應(yīng)坡高115mm處)。圖9為機(jī)器人順利爬上29.6°斜坡的過(guò)程。

圖9 機(jī)器人的上斜坡過(guò)程試驗(yàn)

4.4 臺(tái)階試驗(yàn)

機(jī)器人跨越臺(tái)階時(shí)，臺(tái)階的高度h不同，輪腿式機(jī)器人所采用的越障方式也不相同。當(dāng)臺(tái)階高度h＜H1(H1表示機(jī)器人無(wú)需助力即可順利跨越的最大高度)時(shí)，機(jī)器人不須做任何助力動(dòng)作即可順利通過(guò)，對(duì)于這種情況，文獻(xiàn)［4］進(jìn)行了詳細(xì)的分析，這里不作重復(fù)。而當(dāng)H1＜h＜Hmax(Hmax表示機(jī)器人在助力情況下所能跨越的最大高度)時(shí)，機(jī)器人必須借助擺臂和從動(dòng)輪產(chǎn)生助力才能越過(guò)障礙，本文針對(duì)這種情況進(jìn)行一系列試驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)是以數(shù)塊木板疊放而形成的，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)臺(tái)的高度可以根據(jù)需要調(diào)整，這樣就可以順利測(cè)出機(jī)器人所能越過(guò)的最大臺(tái)階高度。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，得出該機(jī)器人樣機(jī)可以越過(guò)的最大臺(tái)階高度是187mm，此時(shí)前、后擺臂擺動(dòng)幅度為74.3°和86.2°。運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖10所示。

圖10 機(jī)器人的上臺(tái)階過(guò)程試驗(yàn)

試驗(yàn)中用攝像機(jī)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了全程錄像，隨后用圖像分析軟件Movias Pro提取了參考點(diǎn)(即圖中白板上的黑色圓點(diǎn))的運(yùn)動(dòng)軌跡，再用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn)如圖11～圖13所示。

試驗(yàn)證明，本輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，控制器硬件穩(wěn)定可靠，軟件算法適用、合理，整個(gè)系統(tǒng)搭建適當(dāng)、有效，能使輪腿式機(jī)器人較好地實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。

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