【文章內容簡介】 僅需 2 根通信線，其通信格式是 12C 總線。 電機驅動控制模塊 對于舵機和直流電機，其驅動控制稍有不同，現(xiàn)分述如下： 舵機的驅動控制模塊 舵機的控制信號來自 AT89C51 單片機的 P1 口，利用三片鎖存器 74LS573 可提供 24 路控制信號，其中舵機用到 17 路控制信號。為了防止干擾， 17 路舵機控制信號和驅動電路應經過TLP521 光電隔離。通過隔離出來的控制信號，還必須接入LM324 比較器，以消除毛刺，增加信號的穩(wěn)定性，提高信號的輸出電流，以便舵機能夠正確工作不至于產生不必要的抖動。此外，由于舵機數(shù)量多，為了節(jié)省 I/O 口，可通過 P1 口的分時復用和鎖存器來實現(xiàn)。在系統(tǒng)中，由于程序執(zhí)行都在微秒級，在舞蹈動作執(zhí)行時，用到定時 器中斷，而定時器是采用 進行中斷，因而，在時間上完全可以采用分時復用的方法來實現(xiàn)舵機的控制。 由于本機器人機構采用了 17 個舵機，本控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)能同時驅動這 17 個舵機的功能。由前面的敘述知道，舵機的控制信號為周期是 20ms 的脈寬調制 (PWM)信號，其中脈沖寬度從 － ，相對應舵盤的位置為 0～ 180176。，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應的位置上。 舵機輸出轉角與輸入信號脈沖寬度的關系如圖 6 所示。 12 圖 6 舵機輸出轉角與輸入信號脈沖寬度的關系 傳統(tǒng)產生 PWM 波的方法是通過大量的分立元件來實現(xiàn)的 ,所產生的脈沖頻率和寬度往往不是很準確，很難做到對舵機的精確控制。目前，產生 PWM 波的方法有很多種 :最直接的方法就是用單片機本身所帶的 PWM 口產生波形，但該方法受 MCU內部資源的限制，僅能實現(xiàn) 2～ 4 路 PWM 波的輸出，對于需要多路舵機的場合顯然是不夠的。另一種方法就是利用分時復用的思想利用單片機一個中斷產生 7路控制 futaba舵機用 PWM波的方法。該方法雖然實現(xiàn)了 7 路舵機的控制，但也僅能實現(xiàn) 7 路舵機的控制，并且僅針對特定舵機的控制，控制精度也不高，在一些重要場合的應用受到了限制 。還有一種方法就是利用單片機純軟件的循環(huán)計數(shù)的方法或者，利用硬件定時，軟件計數(shù)相結合的方法，在不增加任何硬件接口的前提下，實現(xiàn)了多路 PWM 波的輸出 。然而此方法大量占用 MCU 運算時間，基本不能再處理其它的事務，并且精度不高。 另外，目前一些數(shù)字信號處理芯片片內就集成了 PWM 波形產生的功能，只需要進行寄存器參數(shù)的設置就可得到 PWM 的輸 13 出。但在一些只需要簡單電機控制的場合，從成本考慮不需要較為昂 貴的數(shù)字信號處理芯片。 本文采用一片 51 單片機和一片復雜可編程邏輯器件 (CPLD)實現(xiàn)了 PWM 的產生。由于 CPLD 具有他特有的并行處理能力和大量的 I/O 接口，可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于 CPLD 不具備事務處理能力，實際應用中還需要 MCU 協(xié)同工作，本文使用 51 系列的單片機和 CPLD 協(xié)同控制舵機，另外，使用了單片機，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。 結構圖如圖 7 所示。 RS232 ┊ 圖 7 控制系統(tǒng)結構圖 控制系統(tǒng)如圖 7 所示，選用“上位機 +串口 +下位機”的控制系統(tǒng)解決方案。上位機控制軟件的主要功能是對預定的機器人動作進行規(guī)劃和位置插補，再按照一定時間間隔和次序進行發(fā)送給下位機 ,實現(xiàn)機器人關節(jié)位置和近似的速度控制 。下位機主要功能是接收上位機發(fā)送的位置信號，根據(jù)信號要求產生 PWM 波，控控制計算機 （上位機） MAX232 RAM UART 單片機 8051 （下位機） 舵機 1~17 CPLD 晶振 直流電機 14 制機器人各個關節(jié)舵機運動，使機器人按動作規(guī)劃完成舞蹈動作。相應的，下位機主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調度和 17 個舵機驅動模塊構成。 圖 8 為 CPLD 的 17 路舵機驅動原理 框 圖， CPLD 通過一個簡單的接口與 51單片機進行通信，把要驅動的 17個舵機的 PWM信號數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，從而通過數(shù)字 PWM 生成器驅動 17個舵機轉到需要的角度，當需要轉換到下一 PWM 波形 （ 1~17） 圖 8 CPLD 的 17 路舵機驅動原理框圖 個角度時，通過與 51 單片機的接口，從 51 單片 機中傳送新的PWM 信號數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲區(qū)中進行更新，這樣數(shù)字 PWM 生成器就會驅動舵機轉過一個新的角度。 舵機的控制電路圖如圖 9 所示。 圖 9 舵機的控制電路 直流電機的驅動控制模塊 與 51 單片機的 接口 數(shù)據(jù)存儲區(qū) 數(shù)字 PWM 生成器（ 1~17） 15 舞蹈機器人進行舞蹈表演時，需要進行滑行表演，這是人體不能做到的。所以機器人的兩只腳是通過兩個直流電機來運動的。為了使機器人能夠實現(xiàn)直線行走、轉彎、側滑等動作，必須對直流電機的轉動方向與轉速進行控制，為此我們選用了L289N 驅動芯片，其控制電路圖如上頁圖 10 所示。 L289N 是高電壓、高電流的雙Ｈ橋驅動器， 利用一片 L289N就可以實現(xiàn)對２個直流電機的控制。每個直流電機用三路控制信號，其中兩路為轉向控制信號 IN1 和 IN2（或 IN3 和 IN4），一路為轉速控制信號 ENA（或 ENB），每組有兩路輸出信號，可以直接接到直流電機的引線上。通過改變 IN1和 IN2（或 IN3和 IN4）輸入端的高低電平值，即可實現(xiàn)直流電機的轉向控制。 ENA 與ENB 所引入的信號是 PWM 波，通過改變 PWM 波的脈寬，進而改變加在直流電機上的平均電壓，就可以實現(xiàn)直流電機的速度控制。為了防止直流電機在啟動、停止瞬間所產生的反饋電壓損壞L289N，在 L289N 和直流電機之間加入 8 個二極管，起斷電續(xù)流的作用，從而保護元件。 ISEN A1ENA6OUT23VS4OUT12GND8IN27IN15IN310VSS9ENB11IN412OUT313OUT414ISENB15L298N(15)L298N5 6U1C74LS04_134U1B74LS04_11234OUT6D6D4 D7D10D8 D9D5D111DP11DP2CGNDGNDGNDCVCCZVCC1ZPWN141ZPWM15GNDZVCC 圖 10 直流電機驅動控制電路 防碰撞模塊 由于舞蹈機器人需要運動起來，進行舞蹈動作的表演，難免 16 會出現(xiàn)磕磕碰碰，雖然本設計描述的舞蹈機器人是鋼架結構，但也只是外殼比較結實罷了，本質上舞蹈機器人是一個脆弱的物體。機器人在舞臺邊緣做一些動作時，就有可能發(fā)生碰撞或者卡死，這樣會對機器人內部的控制系統(tǒng)硬件造成損毀，所以需要對舞蹈機器人進行防碰撞保護。保護的方式首先在在機器人外部的前后左右方向裝了四個碰撞傳感器，選擇壓力傳感器，加上相 應的邏輯電路，當機器人發(fā)生碰撞對壓力傳感器壓力達到對機器人內部電路有損時，產生邏輯信號，舞蹈機器人控制系統(tǒng)中的防碰撞模塊對該信號進行處理，作為外部中斷信號輸入 AT89C51 單片機，讓所有電機都停止工作，從而完成了對發(fā)生碰撞或卡死的情況進行處理。此防碰撞功能是通過 AT89C51 外部中斷來處理的。 4 控制系統(tǒng)軟件設計 軟件部分是控制系統(tǒng)設計中最重要的部分，它關系到舞蹈動作的編輯、存儲和執(zhí)行。軟件由 PC 機上的軟件設計和單片機上的軟件設計兩部分組成，在此僅介紹單片機的軟件設計。單片機上的控制程序包括一個主程序 和相應的中斷服務子程序，其程序流程如圖 11 所示。 N 開始 外部中斷、定時器中斷、串口中斷初始化舞蹈動作初始化 =1? 單片機與 PC 機串行通信 舞蹈動作存儲 17 Y N Y 圖 11 程序控制總流程圖 其中 是串行數(shù)據(jù)的開關控制量，不等于 1，表示單片機進入串行中斷等待，進而機與 PC 機進行數(shù)據(jù)交換，等于 1，表示程序往下執(zhí)行； 是機器人開始跳舞的遙控開關，等于 1，表示機器人開始跳舞，否則，機器人保持原來狀態(tài)。 主程序 主程序主要負責設置堆棧指針和中斷向量，對所用到的特殊寄存器進行初始化和舞蹈動作初始化，設置定時器中斷，設置串口中斷和串口通信波特率及開／關中斷，設置 的狀態(tài)控制無線遙控器啟動機器人，調用相應的子程序。 定時器中斷服務子程序 定時器中 斷服務子程序用于產生舵機、直流電機的 PWM 控制信號和加載舞蹈動作。在設計中，由于 AT89C51 內部的定時器 1 已作為 HSO 產生 PWM 信的時間基準，因而采用定時器 2=1? 舞蹈動作的讀取和執(zhí)行 防碰撞處理 結束 18 作為舞蹈機器人的時間控制，其中斷向量單元為 2021H，每 中斷一次，定時時間一到，則轉入中斷服務程序，生成PWM 控制信號和直流電機的轉動方向控制信號，驅動舵機和直流電機運轉，進而控制機器人各個關節(jié)做出各種各樣的動作。 串行中斷服務子程序 串行中斷服務子程序實現(xiàn) AT89C51從 PC機下載舞蹈動作和由 AT89C51向 PC機上傳舞蹈動作。通過串行中斷，利用 AT89C51的 TXD、 RXD 引腳與 PC 機的 COM 口實現(xiàn)串行通信，二者之間采用全雙工的異步通信模式，其波特率設為 9600，此外為了保正數(shù)據(jù)的 正確傳輸，軟件設計了握手協(xié)議。在傳輸數(shù)通信的據(jù)前，先進行單片機與 PC 機的握手，采用“（”與“）”一對字符進行握手，握手協(xié)議通過，表示單片機與 PC 機建立了可靠的通信，就可以進行數(shù)據(jù)傳輸可以了。 外部中斷服務子程序 外部中斷服務子程序用于處理機器人的邊緣碰撞問題。通過外部中斷，對機器人前后左右四個方向上的碰撞做出處理，確保機器人不會因為碰撞影響以后動作的執(zhí)行。對碰撞的處理，實際上就是改變保存舞蹈動作的寄存器，由于每 讀取一次動作數(shù)據(jù)，因此對碰撞的處理只有在碰撞發(fā)生后的 內才能生效。只要對直流電機的控制數(shù)據(jù)設置恰當，就完全可以滿足要求，使其不影響以后動作的執(zhí)行。 19 5 結論 本舞蹈機器人的控制系統(tǒng)設計，涉及到了機器人的機械部分、硬件部分和軟件部分。在機械部分，本設計采用鋼架結構，用舵機模擬人體的關節(jié)，通過各個舵機進行各種轉角組合而完成機器人的各種仿人形動作，在舞蹈機器人的腳部，裝上 了轱轆，通過直流電機提供動力，可實現(xiàn)機器人的滑行，這是人類舞蹈動作的禁區(qū)?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分，是通過 Atmel 公司的 AT89C051單片機微控制器 作為 控制芯片 ，來完成舞蹈機器人的控制系統(tǒng)設計的，機器人至今已近進行了半個世紀的發(fā)展，各個方面都有成熟的技術了，只是在精細化上有所欠缺，本設計對舞蹈機器人的控制系統(tǒng)設計的淺顯探索，希望能夠對機器人控制系統(tǒng)的發(fā)展有所貢獻。 20 參考文獻 ［ 1］