【正文】 側滑的小輪，他們能夠使得輪子向前后提供驅動力，同時能夠使的側面與地面很小的摩擦力，實現(xiàn)側面移動。電機 的 控制對整個 系統(tǒng)是至關重要的。 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。 所以本設計 采用 PID 分別對三個電機進行閉環(huán)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。 本設計采用增量式 PID，其閉環(huán)系統(tǒng)見圖 13所示。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。 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。 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 。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]。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。 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。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。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。 5 系統(tǒng)軟件設計 根據(jù)前幾章模型建立分析和硬件系統(tǒng)構建，本章主要介紹全向運動控制系統(tǒng)程序編寫 。最后一節(jié)介紹上位機部分，編寫上位機軟件部分和上位機下位機使用的通訊協(xié)議。 安裝 CCS 后生成兩個部分， 即 CCStudio 和 Setup CCStudio 。圖 19 即為CCStudio 開發(fā)環(huán)境。 燒寫 FLASH 即將編譯好的程序燒寫進 DSP 內部FLASH 中，此種方法能夠是 DSP 獨立運行軟件，具有掉電保持功能。而燒寫 FLASH 則比較復雜 燒寫 時間比較長，不利于開發(fā)軟件階段使用 [13]。 運動控制 軟件 設計 由于本課題是基于 DSP 全向運動控制系統(tǒng)軟件設計，側重控制全向運動，故本設計將檢測部分做了精簡，只需 要采集指南針和編碼脈沖。 主程序 開 始系 統(tǒng) 初 始 化接 收 到停 止 信 號處 理 接 收 到 的 數(shù) 據(jù)判 斷 運 動 方 式平 移 + 旋 轉 子 程 序電 機 控 制 子 程 序停 止 電 機結 束原 地 旋 轉 子 程 序平 移 子 程 序是否原 地 旋 轉平 移 + 旋 轉平 移 運 動 圖 20 主程序 流程圖 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 19 根據(jù)前幾章的設計和分析，設計出軟件系統(tǒng)流程圖，如上圖 20 所示。如接收到的信號是平移運動則進入平移運動相應子程序，計算電機速度值并賦值給 PWM 寄存器 ，電機驅動控制驅動輪轉速。通過軟件的反復運動則完成了整個系統(tǒng)的運動過程。 子系統(tǒng)流程圖 如下圖 21 所示。由于三種運動狀態(tài)子程序其流程大致相同，不同之處在于對接收到的數(shù)據(jù)的處理和相應的計算以及相關顯 示部分。 其中“屏幕顯示相應運動界面”顯示的是運動狀態(tài)的界面。 顯示的其他參數(shù)則實時變化。 電機 控制子程序 電機控制主要是將其他子程序計算好的速度值進行 PID 控制，這樣 能夠使得三個電機安裝設定的速度運行。故將電機控制部分單獨設為子程序進 行敘述。 P I D 標 志 位 清 零得 到 三 編 碼 器計 數(shù) 值計 算 三 驅 動 輪的 誤 差e i ( n ) , e i ( n 1 ) , e i ( n 2 )P I D 標 志是 否 為 1根 據(jù) 增 量 式 P I D 公 式計 算 三 電 機 速 度返 回否是無 線 發(fā) 送子 程 序 圖 22 電機 控制子程序流程圖 PID 執(zhí)行周期為 3ms，利用定時器計時，當時間到之后 PID 標志位置 1，進入 PID子程序后清楚此標志位。 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 21 將 三 組 數(shù) 值進 行 相 應 轉 換是 否 發(fā) 送 完 畢寫 入 S C I發(fā) 送 寄 存 器返 回是否 圖 23 無線發(fā)送子程序 為使得上位機 更 好的監(jiān)控系統(tǒng)，同時有利于 PID 調試，故將得到的編碼值經(jīng)無線傳輸模塊發(fā)送給上位機軟件，并在相應位置顯示出來。如沒有發(fā)送完畢則繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送完畢則返回主程序。 上位機軟件界面如圖 24 所示。 同時 方便不同電腦的串口情況需求，設計上位機軟件時設置了 4 個COM 口（ 14）。最后加上一個“演示”模塊，即設定幾個特殊方向角利用圖片直觀表示出來，能夠實現(xiàn)平移和邊平移邊旋轉的運動，能夠對整個設計系統(tǒng)有個更直觀的操作。點擊開始，則上位機軟件將寫入的參數(shù)進行相關處理并按照一定的協(xié)議組織要發(fā)送的數(shù)據(jù)， 通過RS232 經(jīng)無線模塊發(fā)送出去。 協(xié)議格式 見表 5 所示。 演示 同速度合成平移 同速度合成平移 在上位機選擇不同的運動方式和相關參數(shù)，通過無線傳輸模塊傳送給 DSP，在 DSP上對接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進行處理，提取出運動方式和相關參數(shù)，然后進行控制小車運動。 例如讓系統(tǒng)往 [0 50 45]T運動，即系統(tǒng)往正 Y 軸以 50 的速度前進且旋轉，那么發(fā)送的協(xié)議 為： *05010450100*。 6 實驗 驗證 及 結果 分析 為驗證本設計的各種全向運動是否準確，本章將對各種全向運動形式進行試驗驗證。 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 23 試驗場地 由于本設計使用的驅 動輪為 尼龍 材質。為提供足夠摩擦力結合實驗室條件，選擇飛思卡爾賽道使用的 KT 板 ，做成 120CM*100CM 的試驗場地，并在場地上標上邊距為 20cm的方格，同時為驗證轉角正確性標上了相隔 45176。 (a) 場地 規(guī)劃 (b) 實際場地 圖 26 試驗場地 基于 DSP 的全向運動控制系統(tǒng)軟件設計 24 各項性能測試 需要試驗驗證 測試 的 有： PID 驗證、平移驗證、原地旋轉驗證、邊平移邊旋轉運動。 速度 PID 測試 對電機 PID效果進行測試，測試方法為記錄從啟動到穩(wěn)定后一段時間 內相隔時間段增量編碼器記錄數(shù)。在這個試驗中測試占空比為 200（占空比 2/5）的上升曲線。能夠滿足要求，效果如下圖 27 所示。在驗證平移性能的時，采用在系統(tǒng)上安裝自制鉛筆 留痕 裝置 （如圖 28） ，能夠跟隨系統(tǒng)運動時留下系統(tǒng)運動的軌跡，依此來采集系統(tǒng)平移是的各項性能。 圖 29 系統(tǒng)平移曲線 原地旋轉 測試 系統(tǒng)安裝有數(shù)字指南針，能夠根據(jù)地球磁 場感知方位。驗證指南針轉角是否正確比較簡單，直接觀看 TFT 液晶顯示的指南針角度就可以知道準確性。的虛線 看是否轉到位，下圖 30 為試驗場地轉角 有 0176。時的情況。到 45176。而且此誤差是為了避免 轉到角度出現(xiàn)來回校準而設置的死區(qū)，故原地旋轉運動能夠準確的執(zhí)行。 下圖 31 為系統(tǒng)由（ 20 20）到（ 80 80）邊移動邊旋轉，黑色三角箭頭為系統(tǒng)方向。 影響因素 分析 影響系統(tǒng)性能的因素大部分來源于外部，大致分為以下幾種 情況： （ 1） 電池電量不足，導致系統(tǒng)電機啟動或大的變化時電流不足。 (2） 外部磁場干擾，數(shù)字指南針能夠很靈敏的感應磁場，所以外部稍強點的磁場就能干擾系統(tǒng)， 一方面是 金屬鐵，其很容易磁化，導致變成弱磁鐵。角，嚴重影響了系統(tǒng)性能。 去除干擾的方法只能經(jīng)過硬磁補償來減少很少部分干擾，大多數(shù)干擾無法去除。同時由于驅動輪滾動會造成電機力矩發(fā)生變化，L=12 或 ，及內外兩個側滑輪著地時會造成力矩 的變化，會使得系統(tǒng)轉動發(fā)生誤差。 其特殊的移動方式使得全向機器人 越來越得到重視和應用，其未來的實用領域和前景將更加寬廣。 (2) 對三軸運動控制結構進行了數(shù)學建模，進行了運動學分析。 (3) 運用 TMS320LF2407A 芯片為控制核心， 使 用了 其模塊 UART（ SCI） 、 IIC（模擬）、PWM、 I/O、 CAP、外部擴展 RAM。 (4) 使用了 的 MSComm 控件編寫上位機軟件，設計上位機界面和功能，編寫通信協(xié)議。同時能夠在上位機顯示系統(tǒng)現(xiàn)在運動的狀態(tài)和三個電機速度值。 (5) 對多電機實現(xiàn)了數(shù)字增量式 PID 控制， 三個電機各自 PID 控制且互不影響，并通過 MATLAB 進行了仿真。 (6) 實現(xiàn)了全向運動控制系統(tǒng)的所有運動形式，且經(jīng)過試驗測試驗證了其準確性。由于程序比較大， 在此只附錄上 和 兩個文件。 PE2=PWM8 PE4=PWM10， PE6=PWM12三電機 */ /* PC01 PF23 PF45電機正反轉 */ /******************************************************************************/ include include void SystemInit()。 void ILI9163_init()。 void PWM_Init()。 void Timer4Init()。 /****************************************************/ /* 主程序 */ /****************************************************/ main() { SystemInit()。 //IO口初始化 SCI_Init()。 //PWM初始化 ILI9163_init()。 /*定時器 1初始化 */ Timer4Init()。 /*定時器 2初始化 */ asm( CLRC INTM )。 LCD_PutString(40,03,李海清 ,0x001f,0x07e0)。 // LCD_PutString(0,143,指南針 :,0x001f,0x07e0)。 //判斷并讀取 SCI數(shù)據(jù) speedPV()。 /* 關閉總中斷 */ asm( CLRC SXM )。 /* B0塊映射為 onchip DARAM*/ asm( CLRC OVM )。 /* 系統(tǒng)時鐘 CLKOUT=20*2=40M */ /* 打開 ADC,EVA,EVB,CAN和 SCI的時鐘 */ WDCR=0x006F。 /* 初始化看門狗 */ IFR=0xFFFF。 /* 打開中斷 1,2*/ } /************************************************/ /* IO口初始化 */ /************************************************/ void IOinit() { MCRC=MCRC