【正文】 基于DSP的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) [摘 要] 本文基于DSP C2000系列TMS320LF2407A核心控制芯片，以CCStudio ，在了解RoboCup中型組足球機(jī)器人和其他全向機(jī)器人的基礎(chǔ)上，主要完成了全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。通過對(duì)全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，建立了三軸全向運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)整體平移運(yùn)動(dòng)、原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、邊平移邊旋轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行分析和數(shù)學(xué)建模；利用上位機(jī)，經(jīng)無線模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)方式和各種運(yùn)行參數(shù)，控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)模式；經(jīng)全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件的編寫和與相關(guān)硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)訂的全向運(yùn)動(dòng)形式。通過試驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析，各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)確性已達(dá)到性能的基本要求。[關(guān)鍵詞] DSP；全向運(yùn)動(dòng)控制； 數(shù)學(xué)建模 ；MATLAB仿真 ；串行通信。軟件設(shè)計(jì)Software Design of Omnidirectional Motion Control System Based on DSPAbstract: This article is based on The TMS320LF2407A in the series of DSP C2000 as the control core chip and the software of CCStudio as the development platform. It is basis on the understanding of mediumsized group about soccer robot in Robocup and other omnidirectional robot, mainly acplish the software design of a Omnidirectional Motion Control System. Through the research to the motion control system, motion control system was established to all three axis kinematics mathematic model, build the mathematical modeling and analysis three kind of movement ,which include the whole translation movement, spin around movement and edge translation and the PC, The wireless module to send the movement and a variety of operating parameters, control motion system to achieve a variety of motion modes。 By the whole motion control system software to write and online calibration with relevant hardware, the system realized the omnidirectional movement we expected. Through the results analysis and experimental verification, the accuracy have already meet requirements of various sports state.Key Words: DSP。 omnidirectional motion control。 mathematical modeling。 MATLAB simulation。 serial munication；software design目 錄1 引言 1 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 1 本課題的研究意義及前景 2 論文組織結(jié)構(gòu) 32 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析 3 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立 3 5 平移運(yùn)動(dòng) 5 原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 7 83 基于DSP的硬件系統(tǒng)簡介 8 控制芯片選擇 8 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 9 硬件系統(tǒng)基本模塊 104 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的MATLAB仿真 13 電機(jī)PID控制 13 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 14 MATLAB仿真 155 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16 軟件開發(fā)平臺(tái)及仿真器 16 運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì) 18 主程序 18 三種基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)子程序 19 電機(jī)控制子程序 20 無線發(fā)送子程序 20 上位機(jī)軟件及通訊協(xié)議 216 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析 22 23 各項(xiàng)性能測(cè)試 24 速度PID測(cè)試 24 平移運(yùn)動(dòng)測(cè)試 24 原地旋轉(zhuǎn)測(cè)試 25 平移+旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試 26 影響因素分析 26結(jié)束語 28參考文獻(xiàn) 29附錄 30致謝 421 引言隨著機(jī)器人技術(shù)的日新月異，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域也已從工業(yè)走向普通生活。機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在人們的生活中越來越發(fā)揮著重要的作用。作為機(jī)器人中的全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，有著其特殊的運(yùn)動(dòng)形式，即可以不改變姿勢(shì)向任何方向運(yùn)動(dòng)，找到最佳位置。同時(shí)也可以邊往某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，邊調(diào)整自身的姿勢(shì)達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)效果，可以在平面內(nèi)完美的往任何方向做三自由度運(yùn)動(dòng)。全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人其高靈活度，勢(shì)必會(huì)在機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)揮不可代替的作用。在全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人中現(xiàn)階段比較常見的是三輪結(jié)構(gòu)和四輪結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。通過控制各個(gè)輪子間相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)達(dá)到全方位的運(yùn)動(dòng)效果，包括全方位平移、全方位邊平移邊旋轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式。要完整文章畢業(yè)論文的+扣扣：（1499088324）去掉中間的橫線圖1 三輪和四輪的結(jié)構(gòu)模型2 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立在引言中介紹了全向運(yùn)動(dòng)控制的幾種結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)選用三輪結(jié)構(gòu)構(gòu)建全向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[3][4]。其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物付如圖4所示 。 (a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 實(shí)物圖 圖4 全向結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖由圖5中(b)所示，V為機(jī)器人系統(tǒng)整體速度，世界坐標(biāo)XY坐標(biāo)系中X軸與整體速度V的逆時(shí)針夾角為β，在世界坐標(biāo)系中將整體速度V分解成沿X軸和Y軸的速度分別為和。 全向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式大體可分為平移運(yùn)動(dòng)、原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、邊平移邊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)形式。三種運(yùn)動(dòng)形式有著不同的運(yùn)動(dòng)特性，以下將分三小節(jié)對(duì)三種運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行單獨(dú)分析。 平移運(yùn)動(dòng)平移是基本的也是比較常用的運(yùn)動(dòng)形式。由于是平移不考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們將模型進(jìn)行簡化，其簡化后運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖如圖6所示。 (a) 平移模型 (b) 系統(tǒng)整體平移模型圖6 簡化后運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型單獨(dú)考慮平移運(yùn)動(dòng)故將式(3)進(jìn)行簡化為式(4)： (4)假設(shè)小車整體平移矢量速度為V，與X軸成γ角。所以我們可以分解為和，其分解公式為式(5)。 (5)由式(4)和式(5)我們可以得到三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度，見式(6)。 (6)驅(qū)動(dòng)輪速度、的速度范圍都是。的值則由電機(jī)性能決定。通過式(6)我們可以反向推導(dǎo)出平移速度V的速度范圍。如圖7，其中圓是以驅(qū)動(dòng)輪最大速度大小為半徑的圓，紅色速度V與X軸的角度為γ，隨著γ由0176。~360176。變化V的軌跡為紅色正六邊形。其中最大速度為。圖7 平移最大速度模型3 基于DSP的硬件系統(tǒng)簡介 控制芯片選擇作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心控制芯片，根據(jù)以往在實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，其核心控制芯片當(dāng)屬DSP C2000系類。C2000系類對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用C2000系類TMS320LF2407A的控制板。TMS320LF2407A主要特點(diǎn)如下： 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通過第2章關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立，為使得系統(tǒng)能夠按照建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，本課題設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。其主要的工作方式為： PC上位機(jī)選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方式，經(jīng)過RS232協(xié)議連接無線模塊，由無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。DSP下位機(jī)的無線模塊接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)RS232通信協(xié)議發(fā)送給DSP。DSP接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，分析出要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)形式及各種參數(shù)，同時(shí)利用I2C協(xié)議采集指南針的數(shù)據(jù)，將這些信息通過第2章的全向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析的各種公式轉(zhuǎn)換成各個(gè)電機(jī)的速度值。為使得電機(jī)能夠穩(wěn)、準(zhǔn)、快的執(zhí)行，本設(shè)計(jì)采用經(jīng)典PID控制，以增量式編碼器采集的值為反饋。在進(jìn)行的過程中液晶模塊實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)方式和參數(shù)及指南針的值，同時(shí)將編碼器的值通過無線模塊傳送給PC上位機(jī)。DSP下位機(jī)將按照程序設(shè)定執(zhí)行上位機(jī)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式，只有上位機(jī)重新發(fā)送新的運(yùn)動(dòng)方式才會(huì)改變。 硬件系統(tǒng)基本模塊根據(jù)圖9硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示，本節(jié)將分析幾個(gè)重要的模塊。分為電源模塊、無線通信模塊、指南針模塊、液晶顯示模塊，DSP下位機(jī)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊和全向輪。，在此不再敘述。要完整文章畢業(yè)論文的+扣扣：（1499088324）去掉中間的橫線4 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的MATLAB仿真本設(shè)計(jì)的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使用三軸全向控制，即控制3個(gè)電機(jī)相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)全向輪動(dòng)。電機(jī)的控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。本章主要分析系統(tǒng)的PID控制和MATLAB仿真。 電機(jī)PID控制電機(jī)是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不管DSP計(jì)算的多么正確，但是電機(jī)執(zhí)行達(dá)不到要求，同樣系統(tǒng)是無法實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)的。為使得電機(jī)能夠穩(wěn)、準(zhǔn)、快的執(zhí)行，而PID是根據(jù)偏差的比例、積分、微分的線性組合進(jìn)行反饋控制，是迄今為止工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。所以本設(shè)計(jì)采用PID分別對(duì)三個(gè)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。 轉(zhuǎn)速檢測(cè) 。對(duì)于PID控制反饋必不可少，在本設(shè)計(jì)使用的是Faulhaber帶雙路編碼器減速電機(jī)，即增量式光電編碼器來做為反饋環(huán)節(jié)，其工作原理如圖14。光源經(jīng)過碼盤和檢測(cè)光柵照射的信號(hào)通過光電檢測(cè)器件檢測(cè)，檢測(cè)出的正弦值經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成矩形波，最后出來A相B相Z相。A相B相相差90度，通過軟件能夠很好的得到此時(shí)電機(jī)的速度和方向。對(duì)AB相的采集是電機(jī)閉環(huán)控制的反饋量，關(guān)乎電機(jī)PID控制是否能達(dá)到穩(wěn)準(zhǔn)快的要求。本設(shè)計(jì)使用輸入捕捉CAP功能對(duì)脈沖進(jìn)行采集，將采集量進(jìn)行相應(yīng)處理即得到PID控制的反饋。 MATLAB仿真在三軸控制系統(tǒng)中，PID是應(yīng)用最廣泛的控制算法。針對(duì)電機(jī)模型，這里設(shè)定電機(jī)的模型為，針對(duì)此電機(jī)模型進(jìn)行MATLAB仿真，觀察PID控制算法的控制效果[10][11]?？刂平Y(jié)果比較曲線如圖15所示。綠色曲線為期望值，藍(lán)色曲線為PID控制跟蹤曲線，紅色曲線為誤差曲線，實(shí)際速度可以通過編碼器反饋。可以看出PID控制方式的響應(yīng)速度、跟蹤精度可以達(dá)到系統(tǒng)要求。要完整文章畢業(yè)論文的+扣扣：（1499088324）去掉中間的橫線5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)前幾章模型建立分析和硬件系統(tǒng)構(gòu)建，本章主要介紹全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序編寫。前兩節(jié)介紹了下位機(jī)全向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使用的程序編寫平臺(tái)軟件和整個(gè)系統(tǒng)流程圖及各部分子程序的流程圖。最后一節(jié)介紹上位機(jī)部分，編寫上位機(jī)軟件部分和上位機(jī)下位機(jī)使用的通訊協(xié)議。 軟件開發(fā)平臺(tái)及仿真器本設(shè)計(jì)的核心控制芯片為TMS320LF2407A，其軟件開發(fā)平臺(tái)使用官方工具CCS 。安裝CCS ，即CCStudio 和Setup CCStudio 。其中利用Setup CCStudio ，利用CCStudio ,其開發(fā)周期示意圖為圖18所示[12]。圖19即為CCStudio 。 運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)由于本課題是基于DSP全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，側(cè)重控制全向運(yùn)動(dòng)，故本設(shè)計(jì)將檢測(cè)部分做了精簡，只需要采集指南針和編碼脈沖。其全向運(yùn)動(dòng)方式經(jīng)過上位機(jī)無線傳輸指令，然后DSP接收指令進(jìn)行處理最后控制電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)指南針和編碼器進(jìn)行閉環(huán)控制，以達(dá)到最佳效果。6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析 為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的各種全向運(yùn)動(dòng)是否準(zhǔn)確，本章將對(duì)各種全向運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)試驗(yàn)場(chǎng)地，記錄測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。