前言

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性具有很高的要求，目前主流的工業(yè)機(jī)器人都是采用專門定制的運(yùn)動(dòng)控制卡，加上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣既保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸又能保證運(yùn)動(dòng)控制的精確執(zhí)行，大大提升了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而提升機(jī)器人的性能。另外的一些機(jī)器人產(chǎn)品是采用工業(yè)PC搭載高速總線的伺服控制系統(tǒng)，其控制PC采用的是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如vxworks或者windows+RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展平臺(tái)保證軟件運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)性，通過運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)總線式伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的精確控制。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案，然而，其代價(jià)也是昂貴的，由于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的成本高，這很大程度上限制了國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。采用通用的操作系統(tǒng)消息處理機(jī)制的缺陷是不能滿足工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過程中高穩(wěn)定性和響應(yīng)快速性的要求，控制系統(tǒng)的上下位機(jī)之間進(jìn)行頻繁地通信，實(shí)時(shí)性必然會(huì)跟不上運(yùn)動(dòng)控制的要求，從而大大地降低了工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的可能。此外，模塊化、可重構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人新型機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)和高速通信總線的高性能開放式控制系統(tǒng)、在高速、負(fù)載工作環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)、高精度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和伺服控制、基于三維虛擬仿真和工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)線集成技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制和工業(yè)機(jī)器人故障遠(yuǎn)程診斷與修復(fù)技術(shù)等也是機(jī)器人關(guān)鍵功能部件中重點(diǎn)解決的核心問題。

多信息融合的機(jī)器人智能感知與人機(jī)交互智能感知與人機(jī)交互是機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人進(jìn)行融合、交互的基礎(chǔ)。機(jī)器人感知識(shí)別技術(shù)在高效計(jì)算與精確識(shí)別方面有著巨大的發(fā)展空間，未來智能感知與認(rèn)知主要是在傳感器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)有效分類、歸納，并提取可靠有效信息，凝聚成反映人—機(jī)—環(huán)境交互關(guān)系的特征數(shù)據(jù)網(wǎng)，并結(jié)合人工智能的發(fā)展及高效能計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，為機(jī)器人的智能化發(fā)展提供基礎(chǔ)保障。

運(yùn)動(dòng)控制器是智能機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，智能機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，MATLAB提供了一個(gè)高性能的數(shù)值計(jì)算和圖形顯示的數(shù)學(xué)和工程計(jì)算軟件環(huán)境。這種易于使用的MATLAB環(huán)境，是由數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、信號(hào)處理和圖形繪制等組成。在這種環(huán)境下，問題的解答表達(dá)方式幾乎和他們的數(shù)學(xué)表達(dá)方式完全一樣，不像傳統(tǒng)的編程那么復(fù)雜。

1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，可靠的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的前提。設(shè)計(jì)智能智能機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 智能機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信息，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。軌跡跟蹤是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過程為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)規(guī)劃好的路徑生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信息，控制機(jī)器人完成相應(yīng)的移動(dòng)，完成規(guī)劃路徑的跟蹤。運(yùn)動(dòng)控制過程中用到的輸入信息包括底層超聲波測(cè)距模塊提供的障礙物距離信息，電機(jī)碼盤提供的機(jī)器人的位置、速度信息，以及全景攝像機(jī)、單目視覺攝像機(jī)采集并經(jīng)過處理后的視頻信息等。

智能機(jī)器人的車載處理器和上位機(jī)作為處理中樞，接收激光、超聲波等測(cè)距模塊提供的障礙物距離信息，全景、雙目視覺提供的視覺信息。結(jié)合上位機(jī)中的預(yù)設(shè)功能，通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制機(jī)器人完成相應(yīng)動(dòng)作。

2、主控板軟件設(shè)計(jì)

主控板硬件完成模塊管理、設(shè)備通訊及機(jī)器人定位脈沖檢測(cè)等內(nèi)容。在實(shí)際應(yīng)用中，主控板硬件還負(fù)責(zé)超聲波測(cè)距的軟件管理，因?yàn)楣δ転槌暡y(cè)距軟件設(shè)計(jì)。

主控板硬件中只有主控板控制器需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任務(wù)是超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)管理，余下基本都是一些基本設(shè)置內(nèi)容，包括電機(jī)碼盤的正交編碼脈沖檢測(cè)。初始選定TMS320LF2407A作為主控板控制器是考慮到此控制系統(tǒng)可以作為以后機(jī)器人應(yīng)用的平臺(tái)，可以在TMS320LF2407A里嵌入實(shí)時(shí)系統(tǒng)，提升系統(tǒng)性能，方便接口開發(fā)。

主控板控制器的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容包括模塊初始化、串口通訊、正交編碼脈沖檢測(cè)和超聲波測(cè)距軟件。這里介紹模塊初始化串口通訊和正交編碼脈沖檢測(cè)等內(nèi)容。

圖2 主板控制器程序流程圖

程序流程圖如圖2所示，復(fù)位向量地址為程序入口。然后程序進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括擴(kuò)展方式、溢出方式、DARAM、倍頻、JTAG等基本配置。另外還有使用的相關(guān)I／0121的設(shè)置、程序使用相關(guān)定時(shí)器的設(shè)置、程序使用相關(guān)中斷的設(shè)置和串口通訊的相關(guān)設(shè)置。這些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后會(huì)開啟相關(guān)的中斷程序，隨后進(jìn)入超聲波測(cè)距程序，并一直循環(huán)。中斷服務(wù)程序處于就緒狀態(tài)，一旦有中斷發(fā)生，中斷服務(wù)程序立即執(zhí)行。

在TMS320LF2407A的所有程序中，需要對(duì)其串口的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序做說明。異步通信使用三條線(地線、發(fā)送線、接收線)連接采用RS232格式的終端。發(fā)送各位依次為一個(gè)起始位、1～8個(gè)數(shù)據(jù)位、可選的一個(gè)奇偶校驗(yàn)位、1~2個(gè)停止位。因此串口通訊能夠傳輸?shù)淖畲蟮臄?shù)據(jù)單位為8位，即一個(gè)字節(jié)。在設(shè)計(jì)中控制器和各終端會(huì)有各種類型的數(shù)據(jù)交流，如整形數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)串口發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

考慮四個(gè)字節(jié)的單精度浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)榇诿看巫疃嘀荒軅鬏斠粋€(gè)字節(jié)，所以只需要把每個(gè)四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)形式發(fā)送即可，設(shè)計(jì)中采用強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的方式完成。需要注意的地方在于TMS320LF2407A是16位芯片，因此，在TMS320LF2407A中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)均是以16位整形的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)的，用戶對(duì)于數(shù)據(jù)的處理應(yīng)該都是以16位整形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，所以不能將浮點(diǎn)數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)組進(jìn)行處理。例如對(duì)4字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的發(fā)送來說，首先應(yīng)該將浮點(diǎn)數(shù)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為2個(gè)整形數(shù)。2個(gè)整形數(shù)的處理方式完全一樣，只不過在存儲(chǔ)地址上是字節(jié)數(shù)組的高低位不同。

對(duì)于正交編碼脈沖的檢測(cè)，TMS320LF2407A具有獨(dú)立的正交編碼脈沖單元，只要對(duì)單元寄存器進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置即可得到機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行方向和距離參數(shù)。TMS320LF2407A將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)建模，對(duì)數(shù)據(jù)加以處理后得到機(jī)器人的位姿信息。

3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和閉環(huán)調(diào)速。驅(qū)動(dòng)控制使用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)主控芯片STCl2C4052AD的片內(nèi)PWM外設(shè)單元，生成的PWM信號(hào)經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以通過調(diào)節(jié)PWM占空比來調(diào)節(jié)加載在電機(jī)上24VDC電壓的占空比，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM占空比由片內(nèi)8位的PWM控制寄存器進(jìn)行控制，該寄存器取值范圍為0,--255，分別代表PWM信號(hào)占空比從l到0的連續(xù)變化。同時(shí)STCl2C4052AD接收電機(jī)光電碼盤的脈沖信號(hào)，利用片內(nèi)時(shí)鐘計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度，通過速度控制算法完成電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)及閉環(huán)調(diào)速軟件算法流程圖如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器程序流程圖

4、結(jié)論

智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)，包括軟件設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的編寫。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)器人速度和位置的控制，核心是對(duì)電機(jī)的控制，本論文中選取改進(jìn)的PID控制算法為了讓雙電機(jī)同步，加入了同步的PID算法，并做了相應(yīng)的改進(jìn)，為驗(yàn)證改進(jìn)效果，又做了改進(jìn)PID控制算法的仿真與簡(jiǎn)單PID算法的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)的PID算法能夠滿足運(yùn)動(dòng)控制需求。

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