【文章內容簡介】 5]。非完整性控制系統(tǒng)沒有孤立的平衡點，因此沒有局部漸進穩(wěn)定平衡點，只存在包含原點的平衡流形。移動機器人的輪子可分為兩種類型：傳統(tǒng)輪和瑞典輪。圖 2－4(a)為傳統(tǒng)輪的偏心方向輪。偏心輪具有全方位運動能力，同樣瑞典輪也是全方位輪，如圖 2－4(b)所示，點 的速P度為： （21）SXPUEω)(rV???其中， 為輪子半徑； 為X軸的單位向量； 為速度向量； 為瑞典輪的滾動軸運動的單位向SE量； 、 為機器人質心的瞬時線速度和角速度。P不同的輪式具有不同的運動能力和約束。通常用運動自由度 DOM 和舵性自由度 DOS 的組合形式（DOM，DOS）來定義輪式機器人的移動能力[8]。只具有兩個運動自由度的 (2，0)系統(tǒng)為目前普遍研究對象。基于 DSP 無線通訊的 Agent 采用 2 輪差分結構，前后端分別有支撐的萬向輪。圖 2－4 移動機器人采用的傳統(tǒng)輪和瑞典輪9 運動學模型如圖 2－5 所示， 、 軸為機器人外部環(huán)境坐標系，而 、 軸所XY CXY代表的就是機器人自身的坐標系。機器人的位姿就是 ，??TA??RP其中 為機器人在絕對坐標系 中的坐標。),(AYXOY圖 2－5 輪式移動機器人運動學模型 圖 2－6 坐標轉換確定機器人的位姿要引入坐標變換的概念。如圖 2－6 所示，抽象化機器人為點 ，在絕對坐標系 中的坐標為 ，在相對坐標系PXOY),(AYX中的坐標為 ，機器人中心在絕對坐標系中的坐標為CYOX),(R， 在 中的角度為 。則可得點 在兩種坐標之間的),(MCX?P轉換公式 （22）???????MRRAAMARYXY)sin()co(si )i((()?假定輪子和地面之間沒有滑動，即每瞬時與地面接觸點的速度等于零。則每個輪子的運動學方程為： （23）???????LRryx??????sinco其中， 為 1/2 機器人左右輪間距； 、 分別為左右輪轉動的角LR度。假定機器人在輪子側向沒有滑動，即系統(tǒng)所受的非完整性約束方程為： （24）0sinco???yx??基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)10定義速度向量為： （25）??????????????RLPvV2/1/U?其中， 、 為機器人質心的瞬時線速度和角速度； P是機器人左右輪速度向量。我們可得到機器人的運動學??TLRv?W方程可表示為： （26）???????????????PAVYX1 0sincoPR?同時可得機器人運動軌跡的曲率半徑為： （27）LRv???)(?當 時，曲率半徑趨向無窮大，機器人作直線運動；當LRv?時，機器人以質心為圓心原地旋轉；當 不等于 時，機器人v? LvR圍繞瞬心作圓周運動。 動力學模型達朗伯原理與虛位移原理相結合，可導出動力學普遍方程，是分析動力學的基礎。動力學普遍方程可表達為統(tǒng)一形式[6]： （28）????????0qA() (q)λAuB()Gq)C,MT?其中， 為廣義坐標向量； 慣性力矩矩陣；nRq?nmR()??哥氏力和離心力向量； 重力向量； 輸入n)C(,? qrnRB(q)??變換矩陣； 控制向量； 乘積因子向量； 滿秩約nuλmA束矩陣。對于差輪驅動的移動機器人，定義廣義坐標向量，則滿秩約束方程可表示為：??TLRyx???q （29）?????????0 A(q)?cosinrL11引入乘積因子，滿足運動學約束的動力學方程為： （210）???????21321rλuφILθcossinθiλymiλcoxYRZ??其中， ， 為車身重量， 為輪子質量；整個機器WB???2BWm人繞 軸的轉動慣量 ， 為車身繞 的轉動慣量；CZ2LIZZBIC， 分別為右輪和左輪的輸入力矩。綜上所述，可以歸納總結出：1u2 （211）??????? ???????????????????????001000 32121G(q) )qC(, λu()M()? ?,IImYZ此模型可用于機器人的路徑跟蹤控制。 第 3章 靈狐機器人子系統(tǒng)設計近地偵察系統(tǒng)是一種基于人的思維判斷的反饋式無線控制系統(tǒng)，由七個子系統(tǒng)組成；逐球機器人是一種基于視覺閉環(huán)自治的無線控制系統(tǒng)，由四個子系統(tǒng)組成，現(xiàn)對每個子系統(tǒng)逐一介紹?；?DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)12 DSP 驅動控制子系統(tǒng)為了保證智能系統(tǒng)的功能擴展、技術的更新和控制算法的研究，系統(tǒng)應具有一定的開放性和軟、硬件結構上的可擴展性。合理的模塊化設計、有效的任務劃分、系統(tǒng)實時性和多任務要求都是機器人平臺上應該解決但還沒有完全解決的問題。近年來，數(shù)字信號處理器DSP 以其完善的結構和優(yōu)良的性能在通信領域、消費類電子、汽車電子產品等領域的應用日益占有重要地位，使用 DSP 技術提升智能機器人感知、控制性能，提高計算能力，降低總體成本成為一種發(fā)展趨勢。 DSP簡介DSP 芯片是一種具有特殊結構的微處理器，芯片內部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的 DSP 指令，可以快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。TMS320LF2407A 是為了滿足控制應用而設計的，其 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(shù)字解決方案。TMS320C24X 系列是美國 TI 公司為電機控制設計的專用芯片，在其基礎上升級了 TMS320LF240x。除了具有一般 DSP 的改進的哈佛結構、多總線結構和流水線結構等優(yōu)點外，它還具有以下優(yōu)點[10]：? 采用高性能的CMOS工藝，,減小了控制器的功耗；最大可達40MIPS的執(zhí)行速度縮短了指令周期，從而提高了控制器的實時控制能力；? 片內高達32K字的FLASH程序存儲器， 字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字雙端口RAM（DRRAM）和2K字的單口RAM（SARAM ） ；? 兩個事件管理器模塊EVA和EVB ，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16 位的脈寬調制（PWM）通道。它們能夠實現(xiàn)：三相反13相控制；PWM 對稱和非對稱波形；當外部引腳 出現(xiàn)低電PDINTX平時快速關閉PWM 通道；可編程的 PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；3個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路；16通道A/D 轉換器；? 片內外設有看門狗定時器和實時中斷定時器；可通過事件管理器觸發(fā)1個16 通道或2個8通道A/D 轉換器來處理反饋速度、位置、電壓、電流等模擬信號；同時還有SPI、SCI以及多達40個的GPIO。 PWM的實現(xiàn)方法應用 DSP 產生 PWM 的原理圖如圖 3－1 所示。具體實現(xiàn)如下：? 通過設置TxCON 寄存器來確定采用連續(xù)增/減計數(shù)模式。計數(shù)器按設定的時間單位連續(xù)向上計數(shù)，當計數(shù)到設定的峰值時，計數(shù)器立即向下計數(shù)則生成三角載波。在計數(shù)器計數(shù)過程中，如果設定的比較寄存器的值與計數(shù)器的值相等時PWM 脈沖輸出端口自動輸出高電平或低電平。? 通過設置比較方式控制寄存器ACTRA 來確定PWM 脈沖輸出端口電平為:強制高/強制低/高有效/低有效（根據(jù)功率器件的特性來定） 。? 通過設置比較控制寄存器COMCONX 確定各路PWM 脈沖輸出端口間為哪一種切換方式：（1）當計數(shù)器的值為零時切換（2 ）當計數(shù)器的值等于設定的峰值時進行切換（3）立即進行切換。? 實際應用中，通過調節(jié)周期寄存器和比較寄存器的值輸出一系列控制脈沖以滿足不同的控制要求。 驅動結構設計移動機器人優(yōu)秀表現(xiàn)的基礎是要有一個良好運動特性的移動平臺。機器人平臺的驅動控制是機器人的一個關鍵部分，它直接影響到整個機器人運動的精度、靈活性乃至整個系統(tǒng)的可靠性，并且在整個機器基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)14人的構造成本中一直都占有很大比重。機器人驅動模塊一般由主動輪、隨動輪、固定支架、電機、驅動器及能源系統(tǒng)構成。機器人小車應具備高度的機動性和靈活性，能夠快速實現(xiàn)前進、后退、轉彎、停車等基本動作。在本系統(tǒng)中，機器人接收到主機的指令，以電機作為執(zhí)行機構來控制機器人的運動。為了精確控制，系統(tǒng)以犧牲速度為代價采用步進電機作為執(zhí)行結構。步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。其最大優(yōu)點就是不需要反饋控制，另外還有電路簡單、容易與微型計算機聯(lián)接、停止時有保持轉距、維護方便等優(yōu)點。 選擇步進電機時，要明確電機的最高運行速度和拖動負載所需的力矩[7]。電機所能提供的速度及力矩取決于電機自身性能及驅動電壓、電流等因素。步進電機的基本特性是隨著速度的升高力矩越來越小。一般而言，電壓越高，力矩隨速度的升高下降的越慢；電流越大，力矩越大。除此之外，還要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。電機輸出的總力矩 ，其中 為電機啟動加速力矩，F(xiàn)AM??A為摩擦折算至電機的轉矩。本文采用42BYGH 永磁感應子式步進FM電機和SMD401型驅動模塊，再配合DSP 的脈寬調制電路構成DSP 驅動控制子系統(tǒng)。電機步矩角 ，其接線和矩頻特?性分別如圖3 －2 和圖3－3所示。SMD401采用單極恒壓驅動原理，驅動電流可達1A。該電機工作在四相八拍方式下，可使機器人的理論線15。圖 3－2 步進電機 42BYGH 接線圖 圖 3－3 42BYGH 矩頻特性目前國內外移動機器人平臺通常采用傳統(tǒng)的伺服電機作為驅動部件，必須通過相應的減速機構和傳動裝置才能夠實現(xiàn)對移動平臺的驅動，存在結構復雜，價格昂貴，自重較大等問題，不能很好地滿足機器人系統(tǒng)的需要。如圖3－4所示，機器人采用兩個高精度驅動輪和一個隨動輪的結構是一種典型的驅動結構。兩個驅動輪4分別由兩個伺服電機3 經過減速器5分別驅動，隨動輪1 可置于本體前部，可也置于本體后部。機器人移動平臺的行進方向由兩個驅動輪的速度差決定，通過對兩個電機施加不同的速度控制量可實現(xiàn)任意方向的運動。這種結構的特點是運動靈活，但對對伺服驅動系統(tǒng)本身的精度和動態(tài)特性要求非常高；而且由于采用減速器、碼盤等使整個系統(tǒng)的結構復雜，從而帶來機器人成本的增加。1234561 隨動輪2 碼盤3 電機4 驅動輪5 減速器6 本體1231 萬向輪2 驅動輪3 車身4 電機4圖3－4 兩個高精度驅動輪和 圖3－5 兩個高精度驅動輪和一個隨動輪的結構圖 兩個隨動輪的結構基于 DSP無線通訊的多功能機器人“靈狐”的研究與實現(xiàn)16為了既保留上述結構在運動方面的優(yōu)勢，又避免本體過于龐大，本文采用的兩個高精度步進電機和兩個隨動輪結構如圖3－5 所示， 。左右輪2分別為驅動輪，前后分別有萬向輪支撐，平臺的運動速度取決于兩驅動輪的運動速度。利用該種驅動方式設計的機器人本體運動靈活，可實現(xiàn)零回轉半徑，方向控制精度高。該設計結構簡潔，可維護性強。整個系統(tǒng)由于采取步進電機，不僅使成本大大降低，而且避免了減速器、編碼器等的選型、裝配等一系列問題，簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了機器人的體積和重量。 步進電機控制由于步進電機結構上的特點，在一些要求高速度或平衡運行的場合就必須有一個逐步升速的過程，否則步進電機會失步；臨到終點必須有一個減速過程，否則會造成過沖[8] [9] 。在設計控制方式中本文充分考慮到以上因素的制約，通過曲線擬合逐步升降頻。圖 3－6 步進電機升降頻曲線通過多次實驗對比驗證本文得出結論：曲線規(guī)律（如二次式）的加減速方案較直線式的方案在同樣的擬合原理之下更具優(yōu)勢。圖3－6(a)是勻加、減速曲線。由于電機的電磁轉矩與轉速是非線性關系，如按線性關系加速時易造成轉矩不足而失步。圖 3－6(b)的曲線基本上可以滿足轉矩與加速過程的關系。本系統(tǒng)擬合出的升降頻曲線方程為 （31）???????..y升 在逐球機器人中，系統(tǒng)通過圖像處理，配合 PD 控制算法，計算出機器人的輪速。通過無線通訊發(fā)送出去，DSP 接收到指令后控制17機器人的運動。具體控制算法詳見第 5 章。 無線通訊子系統(tǒng) 無線通訊子系統(tǒng)作用主機的控制指令通過計算機串口送至無線通訊模塊，經過調制后發(fā)送出去。機器人上的通信接收器接收信號并解調，然后傳送給車載微處理器。為了實現(xiàn)一對多的通信，一般都采用廣播式傳送，所有機器人采用統(tǒng)一的通信頻率，而發(fā)給不同機器人的命令則根據(jù)各自的標識位加以區(qū)分。即每個機器人都能夠接收到上位機發(fā)送的任一條命令，如果機器人檢測出數(shù)據(jù)的某一個字節(jié)與自己的標識相符，則隨后的命令被判斷為有效，即要執(zhí)行