基于DSP的仿生機(jī)器蟹多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

仿生機(jī)器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運(yùn)算速度,以便在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度較高的情況下,通過提高響應(yīng)速度來確保機(jī)器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機(jī)器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個(gè)電機(jī)(如圖1所示),使其質(zhì)量較大,同時(shí)由于體積的限制使得各步行足相互間距較小,因此將造成機(jī)器蟹在行走過程中耦合較強(qiáng),控制模型受軀體位姿、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)靈活,具有調(diào)整步行足軌跡和步態(tài)的能力,并能適應(yīng)控制模型的變化。因此必須研制一種具有強(qiáng)大運(yùn)算處理能力、軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化的機(jī)器蟹控制系統(tǒng)。

從作業(yè)任務(wù)來看,兩棲仿生機(jī)器蟹的主要設(shè)計(jì)目的是用于未來的兩棲軍事偵察,因此要求其具有自主性、智能化的特點(diǎn),并應(yīng)從實(shí)用性角度出發(fā)來設(shè)計(jì)嵌入式的控制構(gòu)架。

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為:

(1)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施快速準(zhǔn)確的位置控制;

(2)協(xié)調(diào)步行足各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)以及各步行足的運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)軌跡;

(3)實(shí)時(shí)地采集、處理傳感器的數(shù)據(jù),以便在控制系統(tǒng)的信號(hào)綜合中使用;

(4)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)方程的求解以及控制指令的快速傳輸;

(5)具有良好的控制結(jié)構(gòu)和接口,便于高層控制軟件的開發(fā);

(6)有一定的預(yù)留接口、良好的兼容性和擴(kuò)展性,以便進(jìn)行功能擴(kuò)展和二次開發(fā)與研究;

(7)具有模塊化結(jié)構(gòu),以便調(diào)整步行足的數(shù)量,適用于不同步態(tài)形式的控制。

1 多層多目標(biāo)分布式控制概念及控制框架

仿生機(jī)器蟹是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象,從體系上講,其每條步行足都是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂機(jī)器人。要實(shí)現(xiàn)有效的控制,除要對(duì)每條步行足的三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的控制外,多條步行足之間還要相互協(xié)調(diào),共同完成某一確定工作。同時(shí)應(yīng)考慮到各條步行足運(yùn)動(dòng)空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強(qiáng)耦合。常用的控制方法有分散控制、分布式控制和遞階控制三種形式。由于遞階控制系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)清晰、層次分明的特點(diǎn),而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結(jié)構(gòu)且可擴(kuò)展性好,因此機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用遞階控制和分布式控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于其控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,所以將整個(gè)控制體系分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)分解、軀體路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、步行足軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)計(jì)算、電機(jī)伺服控制等多層結(jié)構(gòu),而且每層之間要通過上層進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào),例如各個(gè)步行足之間的運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào),需要步行足控制層通過步行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)層交換信息。每條步行足的指關(guān)節(jié)之間的控制也是如此。因此,機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標(biāo)分布式遞階控制系統(tǒng),如圖2所示。

第一層稱為“動(dòng)機(jī)層”,它使得機(jī)器人本體能夠做到完全的自主。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內(nèi)部的響應(yīng)翻譯成對(duì)機(jī)器人本體的高級(jí)命令。

第二層是“軀體路徑層”,它接收“動(dòng)機(jī)層”給出的高級(jí)命令,將其轉(zhuǎn)化為一系列的本體內(nèi)部的描述量及認(rèn)知圖,進(jìn)而給出機(jī)器人自身軀體的運(yùn)動(dòng)路徑。

第三層稱為“步行足軌跡層”,它針對(duì)軀體的運(yùn)動(dòng)路徑給出各個(gè)足的具體的運(yùn)動(dòng),包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成。

第四層是“動(dòng)力實(shí)現(xiàn)層”,它通過驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)由“步行足軌跡層”給出的足的運(yùn)動(dòng),并對(duì)由于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)不確定性和干擾造成的誤差進(jìn)行校正。

各層之間,上層向下層輸出控制量,由下層來具體實(shí)施。每執(zhí)行一步,下層將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋給上層。

2 單步行足控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

按照上述設(shè)計(jì)方案,采用自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的開發(fā),以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性,同時(shí)也符合模塊化設(shè)計(jì)思想:在總體確定后,進(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì),并通過設(shè)計(jì)模塊間的接口來組合成完整的系統(tǒng)。

首先使用TMS320LF2407開發(fā)步行足伺服控制器模塊,這是為了配合機(jī)器蟹樣機(jī)本體的研制開發(fā)而同步進(jìn)行的,這樣有利于控制系統(tǒng)與被控對(duì)象間的兼容。

步行足伺服模塊包括DSP的最小系統(tǒng)、RS232通訊接口、DPRAM接口、PWM輸出、電機(jī)碼盤QEP信號(hào)檢測(cè)、碼盤計(jì)數(shù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位、力信號(hào)檢測(cè)等部分,如圖3所示。伺服控制模塊的各外設(shè)接口功能如下:

(1)RS232通訊接口:實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與LF2407的上下層通訊,以便在單步行足控制實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行控制和狀態(tài)觀察;

(2)DPRAM接口:用于實(shí)際機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的多控制模塊級(jí)聯(lián)通訊和伺服模塊與TMS320VC5410系統(tǒng)的通訊;

(3)PWM輸出接口:利用TMS320LF2407的片內(nèi)外設(shè)生成數(shù)字PWM信號(hào),作為電機(jī)控制信號(hào);

(4)碼盤計(jì)數(shù)接口:用于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)中的正交編碼信號(hào)(QEP)檢測(cè)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判斷,與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角定位信號(hào)結(jié)合使用,來檢測(cè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角;

(5)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位接口:采集用于關(guān)節(jié)初始定位的霍爾傳感器信號(hào);

(6)力信號(hào)接口:處理和檢測(cè)足端FSR傳感器的接觸力信號(hào)。

2.1 TMS320LF2407的功能介紹

TMS320C24x系列DSP芯片是TI公司于1997年推出的低價(jià)高性能的16位定點(diǎn)DSP,是專為數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)和其它控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的DSP。TMS320C24x系列DSP不但具有高性能的CPU內(nèi)核,而且還具有單片電機(jī)控制的外設(shè)功能。它將數(shù)字信號(hào)處理器的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制能力結(jié)合在一起,從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元MCU和多片設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理想替代品。經(jīng)過對(duì)TMS320C24x系列芯片功能的比較,選用TMS320LF2407作為開發(fā)機(jī)器蟹步行足控制系統(tǒng)的CPU。該芯片除具備通用DSP的高速高性能外,片內(nèi)還配置了大量的外圍接口,專用于電機(jī)控制開發(fā)。

2.2 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

在計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)過程中采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,利用MAX+plus II軟件提供的可調(diào)參數(shù)化元件庫(LPM—Library of Parameterized Modules),選取可調(diào)參數(shù)化計(jì)數(shù)器元件LPM-counter來設(shè)計(jì)16位計(jì)數(shù)器。在該計(jì)數(shù)器模塊上共有9個(gè)并行的計(jì)數(shù)通道,每個(gè)通道都包括一個(gè)16位可預(yù)置初始值的雙向可逆計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)脈沖采用上升沿觸發(fā),并具有同步裝載初值和異步清零的功能。計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在該模塊中,還包括電機(jī)QEP信號(hào)組的4倍頻處理和方向判斷功能電路,并且具有與DSP芯片TMS320LF2407接口的邏輯電路。

2.3 步行足足端力信號(hào)檢測(cè)電路

為了實(shí)時(shí)獲得軀體相對(duì)于大地坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)信息,步行機(jī)器人必須通過大量的外部傳感器獲得諸如傾角、離地高度等信息。在機(jī)器蟹的步行足端部安裝了力傳感器,利用它檢測(cè)足端與物體(或地面)的接觸力大小,來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面。通過設(shè)置碰撞力信號(hào)的閾值來判斷步行足是可以克服阻力按規(guī)劃路徑繼續(xù)運(yùn)動(dòng),還是改變運(yùn)動(dòng)方式避開障礙,或從擺動(dòng)相轉(zhuǎn)入支撐相。

FSR(Force Sensing Resistors)是一種聚合體薄膜裝置,其電阻值大小與其活性表面所受正壓力大小成正比,這種力傳感器對(duì)力的敏感程度非常高。機(jī)器蟹足端FSR檢測(cè)電路如圖5所示。無作用力時(shí),FSR阻值Rs約為50MΩ,晶體管導(dǎo)通,Vout輸出為低電平,接近于0V;當(dāng)表面受力時(shí),阻值Rs隨力的增加而減小,當(dāng)Rs值滿足晶體管可靠截止條件時(shí),Vout輸出高電平。要使晶體管截止, 必須滿足以下條件:

3 單步行足控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的機(jī)器蟹控制器中,采用分時(shí)集中方式和多CPU的結(jié)構(gòu)。步行足控制器采用分時(shí)集中方式,由一個(gè)CPU對(duì)3條步行足的9個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制,CPU可對(duì)各關(guān)節(jié)的反饋控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,完全由軟件確立各關(guān)節(jié)之間的耦合關(guān)系。而整個(gè)機(jī)器蟹的全局控制器結(jié)構(gòu)為多CPU結(jié)構(gòu),由3個(gè)步行足控制器(即3個(gè)CPU控制單元)并聯(lián)成伺服控制層,并由一個(gè)中央控制CPU協(xié)調(diào)控制。機(jī)器蟹步行足控制系統(tǒng)的單關(guān)節(jié)控制過程如圖6所示。由PC機(jī)(上位機(jī))將每一個(gè)動(dòng)作任務(wù)分解為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,并每隔一個(gè)插補(bǔ)時(shí)間T1執(zhí)行一次上下位機(jī)指令,將下一個(gè)T1時(shí)間內(nèi)各指關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令值發(fā)送給DSP控制器(下位機(jī))。DSP控制器將插補(bǔ)時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角按可控精度進(jìn)行周期為T2的插補(bǔ)細(xì)分,細(xì)分后所得任務(wù)為各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)控制中斷程序的實(shí)際目標(biāo)指令,并在插補(bǔ)周期時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)角位置伺服控制,從而完成步行足的運(yùn)動(dòng)控制。除此之外,控制系統(tǒng)軟件還包括步行足軌跡規(guī)劃運(yùn)算、系統(tǒng)自檢和初始化、故障判斷、程序終止、力/位置信號(hào)采集處理等功能模塊。

本文以仿生機(jī)器蟹為設(shè)計(jì)對(duì)象,提出了基于DSP的機(jī)器蟹多層多目標(biāo)遞階控制系統(tǒng)方案,并對(duì)單步行足的軟、硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主式的仿生步行機(jī)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

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