基于DSP的仿生機器蟹多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

仿生機器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運算速度,以便在機械結(jié)構(gòu)剛度較高的情況下,通過提高響應(yīng)速度來確保機器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個電機(如圖1所示),使其質(zhì)量較大,同時由于體積的限制使得各步行足相互間距較小,因此將造成機器蟹在行走過程中耦合較強,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大運算處理能力、軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化的機器蟹控制系統(tǒng)。

從作業(yè)任務(wù)來看,兩棲仿生機器蟹的主要設(shè)計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,并應(yīng)從實用性角度出發(fā)來設(shè)計嵌入式的控制構(gòu)架。

控制系統(tǒng)的設(shè)計目標為:

(1)對各個關(guān)節(jié)實施快速準確的位置控制;

(2)協(xié)調(diào)步行足各關(guān)節(jié)之間的運動以及各步行足的運動,以實現(xiàn)預(yù)期的目標軌跡;

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

(4)實現(xiàn)機器人步態(tài)規(guī)劃、運動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、良好的兼容性和擴展性,以便進行功能擴展和二次開發(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 多層多目標分布式控制概念及控制框架

仿生機器蟹是一個復(fù)雜的控制對象,從體系上講,其每條步行足都是一個多自由度的串聯(lián)臂機器人。要實現(xiàn)有效的控制,除要對每條步行足的三個驅(qū)動關(guān)節(jié)進行準確高效的控制外,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。同時應(yīng)考慮到各條步行足運動空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強耦合。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,而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結(jié)構(gòu)且可擴展性好,因此機器蟹控制系統(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。由于其控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,所以將整個控制體系分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)分解、軀體路徑規(guī)劃、運動協(xié)調(diào)、步行足軌跡規(guī)劃、運動學/動力學計算、電機伺服控制等多層結(jié)構(gòu),而且每層之間要通過上層進行運動協(xié)調(diào),例如各個步行足之間的運動控制協(xié)調(diào),需要步行足控制層通過步行運動協(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,機器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標分布式遞階控制系統(tǒng),如圖2所示。

第一層稱為“動機層”,它使得機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)翻譯成對機器人本體的高級命令。

第二層是“軀體路徑層”,它接收“動機層”給出的高級命令,將其轉(zhuǎn)化為一系列的本體內(nèi)部的描述量及認知圖,進而給出機器人自身軀體的運動路徑。

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

第四層是“動力實現(xiàn)層”,它通過驅(qū)動組件實現(xiàn)由“步行足軌跡層”給出的足的運動,并對由于系統(tǒng)的動力學不確定性和干擾造成的誤差進行校正。

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

2 單步行足控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

按照上述設(shè)計方案,采用自下而上的設(shè)計思路進行機器蟹控制系統(tǒng)的開發(fā),以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性,同時也符合模塊化設(shè)計思想:在總體確定后,進行各功能模塊的設(shè)計,并通過設(shè)計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,這是為了配合機器蟹樣機本體的研制開發(fā)而同步進行的,這樣有利于控制系統(tǒng)與被控對象間的兼容。

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、電機碼盤QEP信號檢測、碼盤計數(shù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位、力信號檢測等部分,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:實現(xiàn)PC機與LF2407的上下層通訊,以便在單步行足控制實驗中進行控制和狀態(tài)觀察;

(2)DPRAM接口:用于實際機器蟹控制系統(tǒng)的多控制模塊級聯(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,作為電機控制信號;

(4)碼盤計數(shù)接口:用于電機轉(zhuǎn)速檢測中的正交編碼信號(QEP)檢測、電機旋轉(zhuǎn)方向判斷,與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角定位信號結(jié)合使用,來檢測關(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;

(6)力信號接口:處理和檢測足端FSR傳感器的接觸力信號。

2.1 TMS320LF2407的功能介紹

TMS320C24x系列DSP芯片是TI公司于1997年推出的低價高性能的16位定點DSP,是專為數(shù)字電機控制系統(tǒng)和其它控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計的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控制的外設(shè)功能。它將數(shù)字信號處理器的高速運算能力與面向電機的強大控制能力結(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)計系統(tǒng)的理想替代品。經(jīng)過對TMS320C24x系列芯片功能的比較,選用TMS320LF2407作為開發(fā)機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,專用于電機控制開發(fā)。

2.2 計數(shù)器的設(shè)計

在計數(shù)器的設(shè)計過程中采用模塊化的設(shè)計思想,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)化計數(shù)器元件LPM-counter來設(shè)計16位計數(shù)器。在該計數(shù)器模塊上共有9個并行的計數(shù)通道,每個通道都包括一個16位可預(yù)置初始值的雙向可逆計數(shù)器,計數(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。計數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。在該模塊中,還包括電機QEP信號組的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 步行足足端力信號檢測電路

為了實時獲得軀體相對于大地坐標系的位置和姿態(tài)信息,步行機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。在機器蟹的步行足端部安裝了力傳感器,利用它檢測足端與物體(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)運動,還是改變運動方式避開障礙,或從擺動相轉(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,這種力傳感器對力的敏感程度非常高。機器蟹足端FSR檢測電路如圖5所示。無作用力時,FSR阻值Rs約為50MΩ,晶體管導(dǎo)通,Vout輸出為低電平,接近于0V;當表面受力時,阻值Rs隨力的增加而減小,當Rs值滿足晶體管可靠截止條件時,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

在本文設(shè)計的機器蟹控制器中,采用分時集中方式和多CPU的結(jié)構(gòu)。步行足控制器采用分時集中方式,由一個CPU對3條步行足的9個關(guān)節(jié)進行控制,CPU可對各關(guān)節(jié)的反饋控制策略進行協(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。而整個機器蟹的全局控制器結(jié)構(gòu)為多CPU結(jié)構(gòu),由3個步行足控制器(即3個CPU控制單元)并聯(lián)成伺服控制層,并由一個中央控制CPU協(xié)調(diào)控制。機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(上位機)將每一個動作任務(wù)分解為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,并每隔一個插補時間T1執(zhí)行一次上下位機指令,將下一個T1時間內(nèi)各指關(guān)節(jié)的目標轉(zhuǎn)角指令值發(fā)送給DSP控制器(下位機)。DSP控制器將插補時間內(nèi)的轉(zhuǎn)角按可控精度進行周期為T2的插補細分,細分后所得任務(wù)為各個關(guān)節(jié)電機控制中斷程序的實際目標指令,并在插補周期時間內(nèi)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)角位置伺服控制,從而完成步行足的運動控制。除此之外,控制系統(tǒng)軟件還包括步行足軌跡規(guī)劃運算、系統(tǒng)自檢和初始化、故障判斷、程序終止、力/位置信號采集處理等功能模塊。

本文以仿生機器蟹為設(shè)計對象,提出了基于DSP的機器蟹多層多目標遞階控制系統(tǒng)方案,并對單步行足的軟、硬件設(shè)計做了詳細的闡述,為進一步實現(xiàn)自主式的仿生步行機構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

1 M J Randall.Adaptive Neural Control of Walking Robots. Professional Engineering Publishing Limited, London, UK, 2001

2 Michael R. Fielding, Reg Dunlop. Hamlet：Force/Position Controlled Hexapod Walker Design and System.

3 林良明.仿生機械學.上海:上海交通大學出版社,1991.4

4 趙鐵石,趙永生,黃 真.仿蟹步行機構(gòu)模型靈活度分析.中國機械工程,1998;(3):52～53

5趙鐵石,趙永生.海蟹足系仿生機構(gòu)模型及位置反解.東北重型機械學院學報,1996;(3):10～14