【正文】 利用 CCStudio 建立工程 編寫軟件 ,其開發(fā)周期示意圖為圖 18 所示 [12]。前兩節(jié)介紹了下位機全向運動系統(tǒng)使用的程序編寫平臺軟件和整個系統(tǒng)流程圖及各部分子程序的流程圖。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 811 . 20 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 . 200 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 41 . 6 圖 15 基于單軸驅動電機實驗 圖 16 三軸運動控制系統(tǒng)的速度合成實驗 接著將此運動通過運運學分解，將速度分解至三個輪子上， 并分別對每個輪子的驅動軸單獨控制，三個輪子相應跟蹤曲線如圖 17 所示?？梢钥闯?PID 控制方式的響應速度、跟蹤精度可以達到系統(tǒng)要求。 ? ?10 00( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )k dpiiTTu k K e k e i e k e k????? ? ? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ? ?( 1 ) ( ) ( 1 )( ) ( 1 ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )p i dk u k u kk e k e k k e k k e k e k e k? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( )u k u k u k? ? ? ?基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng) 軟件設計 15 14 增量式編碼器輸出信號波形 MATLAB 仿真 在三軸控制系統(tǒng)中， PID 是應用最廣泛的控制算法。光源經過碼盤和檢測光 柵照射的信號 通過光電檢測器件檢測，檢測出的正弦值經轉換電路轉換成矩形波，最后出來 A 相 B 相 Z 相。 而增量式PID 控制的優(yōu)點是只輸出 增量，計算誤差動作時造成的影響小，同時對控制算法不需要基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng) 軟件設計 14 累加，增量只跟最近幾次的偏差采樣值有關，易獲得較好的控制效果 [9]。為使得電機能夠穩(wěn)、準、快的執(zhí)行 ， 而 PID 是根據偏差的比例、積分、微分的線性組合進行反饋控制，是迄今為止工業(yè)中應用最為廣泛的一種控制方法。 4 系統(tǒng)運動控制 的 MATLAB仿真 本設計的 全向運動控制系統(tǒng) 使用三軸全向控制 ，即控制 3 個電機相互協(xié)調運動來實現全向輪動。 表 4 L298N 功能模塊 ENA IN1 IN2 運轉狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉 1 0 1 反轉 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng) 軟件設計 13 L298N驅動電路如圖 12所示。 對于電機驅動本設計選用 L298N，它 是一款具有 15 管腳 Multiwatt 封裝的大功率集成驅動芯片。） ，是由 2個 8位的數據組成，當修改模塊磁偏角時，分為高 8 位值，低 8位值，寫入模塊。 IIC 通信模塊地址及數據含義見表 2。、測量精度 ： 1 176。本設計中采用 IIC 通信協(xié)議。本設計用的 是 RS232 電平接口 ， 通訊 波特率設置 9600bps，無奇偶校驗位， 8 位數據位和一個停止位 。在開發(fā)板上 選用 LM1117 作為系統(tǒng)板電源模塊的主芯片，把輸入的 +5V 變?yōu)?。TMS320LF2407A 不采用 5V供電而是采用低電壓 供電方式 。 P C 上 位 機無 線 通 信模 塊R S 2 3 2無 線 通 信模 塊D S P 下 位 機指 南 針 模 塊電 源 模 塊電機驅動模塊電 機 1增 量 編 碼 器電 機 2增 量 編 碼 器電 機 3增 量 編 碼 器液 晶 顯 示R S 2 3 2圖 9 硬件系統(tǒng)結構圖 根據系統(tǒng)要求分配系統(tǒng)配置（見表 1）： 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng) 軟件設計 10 表 1 DSP2407A系統(tǒng)資源分配 功能模塊 名稱 實現功能 通訊模塊 SCI（ PA0、 PA1） 通過無線模塊 與電腦上位機通訊 (2 個 I/O) 電機調速 電機轉向 PWM ： PE PE PE6 3 個 PWM 控制控制調速，（ 3 個 I/O） 正反轉： PC0 PF2 PF45 每個電機兩個正反轉控制信號控制正反轉 (6 個 I/O) 編碼值讀取 CAP： PF0、 PF PA3 利用 CAP 脈沖捕捉功能獲取編碼器脈沖，得到速度 (3 個 I/O) 液晶顯示 PF PA47 液晶使能控制 IO 口 (5 個 I/O) PB07 液晶數據 8 位數據口 (8 個 I/O) 指南針模塊 IIC:PE PE3 軟件模擬 IIC 與指 南針通信， PE1 是 SCL , PE3 是SDA(2 個 I/O) 硬件系統(tǒng) 基本 模塊 根據圖 9 硬件系統(tǒng)結構圖 所示，本節(jié)將分析幾個重要的模塊。 DSP 接收到數據進行相應的處理，分析出要進行的運動形式及各種參數，同時利用 I2C 協(xié)議采集指南針的數據，將這些信息通過第 2 章的全向運動學模型分析的各種公式轉換成各個電機的速度值。 為了滿足機器人大量擴展傳感器的需要和減少處理器外圍數字邏輯器件的使用數量，該運動控制卡采用 Altera 公司的復雜可編程邏輯器件（ CPLD）來擴展 DSP 的 I/O端口和實現外圍數字邏輯電路設計 [8]。 ? 可擴展的外部存儲器總共具有 192K16 位的空間，分別為 64K 字 的 程序存儲器空間、 64K 字的數據存儲空間和 64K 字的 I/O 空間。 ? 高可靠性、可編程性： TMS320LF2407A 的 16 位定點 DSP 內核為模擬系統(tǒng)的設計者提供了一個不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數字解決方案。此處不再過多敘述。為了表述直觀，建立原地旋轉運動模型，其模型圖如圖 8 所示。原地旋轉是旋轉的最基本運動 形式 ，邊 平移 邊 旋轉 運動將在下節(jié) 中闡述 ，本節(jié)主要分析原地旋轉運動形式。 ~360176。 11223313 sin( )c os( ) sin( )622c os( ) c os( )13 sin( )c os( ) sin( )622VVV V VV V V VVVV V V? ???? ???? ?? ? ?? ? ?? ?? ??? ? ?????? ? ?? ? ???? (6) 驅動輪速度 1V 、 2V 、 3V 的速度范圍都是 ? ?max maxVV? 。 由于是 平移 不考慮旋轉運動，我們將模型進行簡化 ，其簡化后運動學模型圖如圖 6 所示 。 (5) 車的重量均勻分布三個驅動輪 上。 為使模型成立， 機器人應 該符合以下幾點 要求 ： (1) 驅動輪與地面有足夠的摩擦力，不存在打滑現象。 將這些已知的值代入式 (1)中得到式 (2)。 為方便 建立運動學模型及 計算取 L=L1=L2=L3。對全向機器人的運動學模型 （圖 5所示） 進行分析 并對控制算法進行研究 。 其結構圖和實物付如圖 4 所示 。根據建立數學模型及外設資源設計系統(tǒng)結構和系統(tǒng)流程圖，通過 編寫系統(tǒng)程序，利用上位機和無線傳輸模 塊對機器人運動形式進行控制，其中也包括建立簡單的無線通訊協(xié)議。選擇 TMS320LF2407A 為核心控制芯片，選擇電機、驅動模塊、顯示模塊、無線通訊模塊、電源模塊等等，組建硬件系統(tǒng) 第 4 章 ： 系統(tǒng)運動控制部分的設計和 MATLAB 仿真 。 第 2 章 ：全向運動控制系統(tǒng)分析。 全向運動機器人在社會服務、教育、娛樂、軍事和環(huán)境探測領域都將發(fā)揮著不可代替的作用。 圖 2 RoboCup 中型組機器人 本課題的 研究 意義及前景 隨著機器人技術的發(fā)展，機器人從工業(yè)走進生活中。 RoboCup 的最終目標是：到 21 世紀中葉，一支完全自治的人形機器人基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng) 軟件設計 2 足球隊應該能在遵循國際足聯正式規(guī)則的比賽中，戰(zhàn)勝最 近的人類世界杯冠軍隊。現在在全向運動機器人方面 使用較多的是 RoboCup 中型組足球機器人 （如圖 2） 。同時機器人技術 不能只靠少量研究人員，必須從學生時代培養(yǎng)機器人技術。 在 全向運動機器人中 現階段 比較常見的是三輪結構和四輪結構 （如圖 1 所示 ） 。 機器人技術已經在人們的生活中越來越發(fā)揮著重要的作用。 omnidirectional motion control。通過試驗 驗證和結果分析，各種運動狀態(tài)的準確性 已達到 性能的基本 要求 。 通過對全向運動控制 系統(tǒng) 的研究，建立了三軸全向運動學數學模型，并對整體平移運動、原地旋轉運動 、邊平移邊旋轉 三種運動 方式進行分析和數學 建模；利用 上位機 ， 經無線模塊發(fā)送運動方式和各種 運行 參數 ，控制運動系 統(tǒng)實現各種 運動 模式 ； 經 全向運動控制系統(tǒng)軟件的編寫 和與相關硬件聯機調試 ， 系統(tǒng)實現了 預訂的 全向運動 形式。 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。 serial munication； software design 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 II 目 錄 1 引言 ................................................................. 1 全向運動控制系統(tǒng)發(fā)展現狀 ....................................... 1 本課題的研究意義及前景 ......................................... 2 論文組織結構 ................................................... 3 2 全向運動控制系統(tǒng)分析 ................................................. 3 全向運動控制系統(tǒng)運動學模型建立 ................................. 3 不同運動方式的運動特性 .......................................... 5 平移運動 .................................................. 5 原地旋轉運動 .............................................. 7 邊平移邊旋轉運動 .......................................... 8 3 基于 DSP的硬件系統(tǒng)簡介 ............................................... 8 控制芯片選擇 ................................................... 8 硬件系統(tǒng)結構圖 ................................................. 9 硬件系統(tǒng)基本模塊 .............................................. 10 4 系統(tǒng)運動控制的 MATLAB 仿真 ........................................... 13 電機 PID 控制 .................................................. 13 轉速檢測 ...................................................... 14 MATLAB 仿真 .................................................... 15 5 系統(tǒng)軟件設計 ........................................................ 16 軟件開發(fā)平臺及仿真器 .......................................... 16 運動控制軟件設計 .............................................. 18 主程序 ................................................... 18 三種基本運 動狀態(tài)子程序 ................................... 19