【文章內(nèi)容簡介】 顯示運動方式和參數(shù)及指南針的值，同時將編碼器的值通過無線模塊傳送給 PC 上位機。 DSP 下位機將按照程序設定執(zhí)行 上位機設定的運動方式， 只有上位機重新發(fā)送新的運動方式才會改變。 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(qū)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(jù)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(xiàn)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(diào)速 電機轉(zhuǎn)向 PWM ： PE PE PE6 3 個 PWM 控制控制調(diào)速，（ 3 個 I/O） 正反轉(zhuǎn)： PC0 PF2 PF45 每個電機兩個正反轉(zhuǎn)控制信號控制正反轉(zhuǎn) (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(shù)據(jù) 8 位數(shù)據(jù)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(jù)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。分為 電源模塊、無線通信 模塊、指南針模塊、液晶顯示模塊， DSP 下位機模塊、電 機 及 驅(qū)動模塊 和全向輪 。其中 DSP 下位機 節(jié)已經(jīng)介紹，在此不再 敘述 。 ? 電源模塊 在控制系統(tǒng)中，主要用到系統(tǒng)板電源模塊 、 DSP、外圍器件和 12V 電機供電 。TMS320LF2407A 不采用 5V供電而是采用低電壓 供電方式 。 電池選用 15V的鋰電池，需要將 15V轉(zhuǎn)換為 12V、 5V、 。電機需要大電流在此選用兩塊 2576 開關電源進行處理。一塊轉(zhuǎn)換為 12V單獨供電機，另一塊轉(zhuǎn)換 5V供外圍 5V器件和 DSP開發(fā)板。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)?。 ? 無線 通信模塊 DSP2407A 處理器內(nèi)嵌的異步串行接口 SCI 是一個標準的通用異步接收 /發(fā)送通訊接口，接收和發(fā)送都是雙緩沖的，有自己的是能和中斷位，支持半雙工和全雙工工作。通訊接口有 SCITXD 和 SCIRXD 的 TTL 電平信號。本設計是使用 ASWLCOM 無線模塊 。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(shù)據(jù)位和一個停止位 。 ASWLCOM 的鏈接方法如圖 10 所 示。 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 11 圖 10 無線發(fā)送接收模塊 連接圖 ? 指南針模塊 采用 CY— 26 平面數(shù)字指南針模塊圖具有磁偏角補償功能，通過硬磁補 償和設置地磁夾角能夠表示成全向機器人的夾角。指南針模塊使用 232（ 9600bps）協(xié)議及 IIC協(xié)議。本設計中采用 IIC 通信協(xié)議。測量范圍 ： 0176。~ 360176。 、分辨率： 176。、測量精度 ： 1 176。 、重復精度 ： 1 176。 、響應頻率： 30 HZ。 DSP 2407A 中 SCI 已經(jīng)使用了無線模塊，所以在本很設計中使用 IIC 通訊協(xié)議進行通信。 IIC 通信模塊地址及數(shù)據(jù)含義見表 2。 表 2 內(nèi)部數(shù)據(jù) 模塊內(nèi)部地址 地址的數(shù)據(jù)含義 0x00 未用到 0x01 角度值高 8 位 0x02 角度值低 8 位 0x03 磁偏角高 8 位 0x04 磁偏角低 8 位 0x05 未用到 0x06 未用到 0x07 校準等級值 實際當前角度值為上表“角度值高 8 位”與“角度值低 8 位”合成的 16 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍 03599（因為分辨率為 176。） 實際當前磁偏角值為“磁偏角高 8 位”與“磁偏角低 8 位”合成的 16 位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍 03599（因為分辨率為 176。） 通過 IIC 控制指南針命令， 磁偏角的值，范圍 03599（因為分辨率為 176。） ，是由 2個 8位的數(shù)據(jù)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。其命令見表 3。 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 12 表 3 模塊命令表 命令值 作用 0x00+0x31 角度測量 0x00+0xC0 校準 0x00+0XC1 停止校準 0x00+(0xA0+0xAA+0XA5+0XC5) 恢復出廠設置 0x00+(0xA0+0xAA+0XA5+IIC_ADDR) IIC 地址修改 0x03+磁偏高 8 位值 磁偏角修改 0x03+磁偏高 8 位值 磁偏角修改 ? 液晶顯示模塊 使用 英寸 TFT 全彩屏，顯示運動過程中各種狀態(tài)和參數(shù) 如圖 11， 通過顯示模塊能夠很好的顯示運動狀態(tài)，同時系統(tǒng)出現(xiàn)問題也能通 過顯示反應出來。 圖 11 液晶顯示 ? 電機及驅(qū)動模塊 電機使用 Faulhaber 帶雙路編碼器減速電機 2230 12V220， 減速后速： 220RPM（轉(zhuǎn)每分鐘） ， 每圈脈沖： 512CPR（脈沖每圈） ，對于編碼器將在下章介紹。 對于電機驅(qū)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(qū)動芯片。它是一個 能夠 承受高電壓， 大 電流的雙 H 橋驅(qū)動。 L298N 可驅(qū)動 2 個電機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分 別接電機。 L298N 功能模塊如表 4 所示 。 表 4 L298N 功能模塊 ENA IN1 IN2 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 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(qū)動電路如圖 12所示。 單個電機的控制方法 如下： 通過 IO口控制 IN1和 IN2，使能 ENA 為 PWM，則通過控制 IN1 和 IN2 來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，通過 ENA 的 PWM 占空比調(diào)節(jié) 速度 快慢。 N1N2N3N4E1E2Input 15Input 27Input 310Input 412Enable A6Enable B11GND8Vss9Vs4motor 112motor 123motor 2113motor 2214Sense 11Sense 215*1L298NGNDGNDD1 D2D8D7D3 D4D6D5MB1MotorMB2Motor5V 12VGND100uFC2C1C4GNDGND100uFC3GND 圖 12 L298N 電機驅(qū)動電路原理圖 ? 全向輪 作為全向 運動的驅(qū)動部分，驅(qū)動輪與普通驅(qū)動輪有著重要的區(qū)別。在驅(qū)動輪的邊 緣處有側滑的小輪，他們能夠使得輪子向前后提供驅(qū)動力，同時能夠使的側面與地面很小的摩擦力，實現(xiàn)側面移動。 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(diào)運動來實現(xiàn)全向輪動。電機 的 控制對整個 系統(tǒng)是至關重要的。 本章主要分析系統(tǒng)的 PID 控制和 MATLAB仿真。 電機 PID 控制 電機是運動系統(tǒng)的執(zhí)行機構，不管 DSP 計算的多么正確，但是電機執(zhí)行達不到要求，同樣系統(tǒng)是無法實現(xiàn)全向運動的。為使得電機能夠穩(wěn)、準、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。 所以本設計 采用 PID 分別對三個電機進行閉環(huán)控制。 數(shù)字 PID 可分為位置式 PID 和增量式 PID 控制。 由于位置式 PID 是全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對 e（ k）進行累加， DSP 運算量大。 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]。 本設計采用增量式 PID，其閉環(huán)系統(tǒng)見圖 13所示。 P I D 調(diào) 節(jié) 器P W M脈 寬 調(diào) 制電 機 驅(qū) 動 電 機編 碼 器s ( t )+e ( t )_V ( t ) 圖 13 電機閉環(huán)控制系統(tǒng) 已知模擬 PID 控制算法的傳遞函數(shù) 為式 (8)： ? ? ? ?? ? 11PdiUSD S K S T sE S T??? ? ? ????? (8) 數(shù)字式 PID 前一刻輸出的值 為式 (9)： (9) 前一時刻減去后一時刻的值 為式 (10)： (10) 數(shù)字 PID最終輸出量 為式 (11)： (11) 轉(zhuǎn)速檢測 本設計選用增量式 PID 即 節(jié)中所闡述的 PID。對于 PID 控制反饋必不可少，在本設計使用的是 Faulhaber 帶雙路編碼器減速電機 ，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(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電機的速度和方向。對 AB 相的采集是電機閉環(huán)控制的反饋量，關乎電機 PID 控制是 否能達到穩(wěn)準快的要求。 本設計使用輸入捕捉 CAP 功能對脈沖進行采集，將采集量進行相應處理即得到 PID 控制的反饋 。 ? ?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。針對電機模型，這里設定電機的模型為2 3() 2 3 4Gs ss? ??，針對此電機模型進行 MATLAB 仿真，觀察 PID 控制算法的控制效果 [10][11]?？刂平Y果比較曲線如圖 15 所示。綠色曲線為期望值，藍色曲線為 PID控制跟蹤曲線，紅色曲線為誤差曲線，實際速度可以通過編碼 器反饋?？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。 針對 三軸運動控制系統(tǒng) 設計以下速度合成實驗，假設機器人坐標系和場地坐標系具有同樣的方位，要求機器人（作為整體）沿 45176。（ ?45?? ）的方向從靜止開始，勻加速運動 2 秒，達到 ，然后勻速運動 2 秒，再在 1 秒之內(nèi)以勻減速將速度減為 0，從啟動到停止共運行 5s。運行結果如圖 16 所示，綠色曲線為期望曲線，藍色虛線為 PID控制跟蹤曲線，從圖中可以看出， PID 控制可以達到 系統(tǒng)的控制要求。 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(qū)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(qū)動軸單獨控制，三個輪子相應跟蹤曲線如圖 17 所示。綠色曲線為期望曲線，藍色曲線基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 16 為 PID 控制跟蹤曲線，從曲線中可以看出， PID 控制可以滿足系統(tǒng)的控制要求。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 0 . 4 5