摘 要： 針對新型球形title="機器人">機器人驅動機構的特點，介紹了一種基于DSP的開環控制器軟硬件系統的設計方法，給出了系統的硬件電路、開環控制模型以及軟件控制流程。
關鍵詞： 球形機器人 DSP 控制器 開環控制
球形機器人是最近國內外比較熱門的課題。無論是國內還是國外，都有不少成功的例子。作者在參考了眾多的機器人實例后，提出了獨特的球形機器人驅動機構，即并聯驅動機構。相比以往的球形機器人驅動機構，該機構具有結構簡潔、占用空間小的特點，但它的控制算法比較復雜，一般的單片機很難勝任。本文介紹的系統是以計算能力強的DSP為核心所設計的新形球形機器開環控制器。其相應的系統硬件電路、開環控制模型以及軟件控制流程分述如下。
1 驅動機構簡介
目前的球型機器人大都采用重力驅動，即通過某種機構改變整個系統的重心，從而使它按特定的方向運動。本文所設計的球形機器人也是依據這一原理，其結構簡圖如圖1所示。
該機器人有4個電機，每個電機帶著一個偏心重塊，按空間對稱方式安裝在球殼內部，并且D1、D2、D3、D4 4個電機的回轉軸分別都指向球心。每個電機都帶角度傳感器，用于測量電機的轉角，分別如圖中的S1、S2、S3、S4。當電機帶動偏心重塊轉動至不同的位置時，整個系統的重心也會隨之相應地改變。球體在新的重心作用下就會向特定的方向滾動。
2 控制系統設計
如圖1的球形機器人系統控制電路的整體方案如圖2所示。系統由帶DSP的主控制板、采樣電路、電機驅動電路、無線接收模塊和無線發送模塊組成。當主控制板通過無線收發模塊接收到“啟動”的命令字后，和采樣電路、電機驅動電路協調工作，驅動系統重心至指定位置。
2.1 主控制板簡介
為了保證控制電路的可靠性，加快系統的開發進度，系統采用上海迅特電子有限公司的目標板IMEZ2407作為主控制板。該板是一個DSP的最小系統，其結構簡圖如圖3所示。
從圖3可以看出，IMEZ2407主要解決TMS320LF2407的周邊必備電路，如電源模塊、晶振和PLL振蕩電路、編程電源VCCP(接+5V或地)運行模式MP/MC選擇的跳線、JTAG接口等。另外板上還帶有1片64KB的SRAM，用作調試時的程序運行空間。調試完成后，再將程序燒入DSP的Flash程序存儲器中。
2.2 采樣電路
采樣電路用來采集電機的轉角信息。這里，角度傳感器用無限旋轉式的滑動變阻器。電位測量采用電阻橋方式。信號放大采用TI公司的INA321儀器放大器。采樣、放大電路如圖4所示。圖中，R1~R4取大電阻以降低測量電路的功耗，R5可以調節電阻橋使它達到平衡，R6用來微調放大器的放大倍數，S為角度傳感器。根據INA321的數據資料，放大電路的放大倍數計算公式如下：
A=5+5×(R6+R7)/R8
2.3 電機驅動電路
系統所使用的電機為普通的直流電機，并帶有減速器。電機參數為：額定電壓：5V。額定電流：80mA。額定轉速：60r/min。
基于以上參數，作者選擇了LG9110作為電機的驅動芯片。電機驅動電路如圖5所示。
圖中INPUTA和INPUTB接到DSP的2個PWM輸出口上。MORTOR+和MORTOR-接直流電機的二端。LG9110的邏輯關系如表1所示。當IA和IB分別為高電平和低電平時，電機就會轉動，而欲使電機換向，可以通過同時翻轉IA和IB的電平值來實現。當IA和IB同時為低電平時，電機二端電壓都為低電平，電機不工作。
2.4 無線收發模塊
控制系統的命令傳輸采用無線收發方式。發送端由控制鍵盤、單片機和無線發送模塊組成。控制鍵盤包括“啟動”和“停止”按鈕。當按下“啟動”鍵時，單片機就會通過無線模塊發送START命令字；按下“停止”鍵時，單片機發送STOP命令字。接收端由接收模塊及串口傳輸接口組成。可以將接收到的數據通過串口發送給DSP。DSP控制器在接收到命令字后執行相應的動作。無線收發模塊如圖6所示。
發射和接收模塊電路是一致的，只是發送端的無線模塊由單片機控制，而且有2個命令按鈕控制發送的數據，如圖6(b)。接收端的數據接口則連到DSP，如圖6(c)。
3 開環控制模型
球形機器人的開環控制模型如圖7所示。假如適當地控制4個偏心重塊的運動，使它們的合質心Mc的運動軌跡S在豎直且過球心的行進面內作勻速圓周運動；如果忽略偏心重塊轉動造成的離心力和慣性力，則球體就會在平面上作直線運動或近似直線的運動。
該機器人基于上述原理的開環控制模型如圖8所示。
輸入為給定的軌跡方程，即圖7中的S，然后由轉角求解器求出各電機的轉角，并與實際采樣所得的轉角值求差分，再經PID控制器算出占空比和轉向。
基于上述開環控制模型的控制程序框圖如圖9所示。由于DSP具有強大的處理能力，使得以DSP搭建的系統能及時、快速地處理機器人的多種信號。本文所描述的球形機器人控制系統，正是基于DSP處理器的這一特點，充分運用DSP強大的乘法運算能力，快速地處理機器人的位姿解算和實時控制，使球形機器人實現直線運動或更復雜的軌跡運動。
參考文獻
1 蔡自興.機器人學.北京：清華大學出版社，2000
2 張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開發應用(第2版).北京：電子工業出版社，2002
3 TEXAS INSTRUMENTS.TMS C2xx USER′S GUIDE.2000
4 TEXAS INSTRUMENTS.INA321 Instrument Amplifier Datasheet.2004