基于DSP的微动机器人位置控制的实现

摘要：根据八面体变几何桁架微动机器人的结构特点和运动要求，设计并研制了基于PC机和DSP的主从计算机控制系统。阐述了该控制系统中DSP控制器的工作原理，给出了自适应LMS算法程序。实验结果表明，该控制系统具有较好的动态特性。 关键词：DSP 变几何桁架机器人 滤波器 LMS算法 八面体变几何桁架机器人是通过八面体机构中可伸缩构件的长度li(i=1,2,…，6)变化实现桁架机构运动的机器人。它具有刚度大、承载能力强和灵巧性好等特点，并能设计成可折叠机构。 本文根据八面体变几何桁架微动机器人的结构特点和工作牧场 生，提出基于TMS320VC5410 DSP的微动机器人控制系统方案，并研制出相应的控制系统。 1 微动机器人控制系统总体结构 根据八面体变几何桁架微动机器人的结构特点和工作特性，采用如图1所示的主从计算机控制系统。该系统采用PC机作为主控计算机，实现人机交互功能和运动轨迹的规划；以六个TMS320LC5410 DSP芯片对机器人的六个压电陶瓷微位移器进行控制。 系统中各部分的功能如下： （1）主计算机 直接接收外界的控制命令和参数，对机器人位置进行实时监控并显示信息；向下级DSP控制器发出各种控制命令等。 图3 （2）DSP控制器 接收主计算机送来的命令和相应的位置信息，实时检测被控压电陶瓷微位移器的状态值；依据给定量和实际检测量的差值进行控制策略的计算， 以求出被控对象应有的控制信息。 （3）应变计和A/D输入 系统中压电陶瓷的位置反馈信号来源于贴在弹性变形体上的电阻应变片的电压，此电压经精密运算放大器电路和A/D转换电路送入到DSP内部。 （4）D/A输出和驱动电源 DSP控制器输出的数字信号要经过D/A转换器变为模拟电压信号，并经功率放大驱动压电陶瓷。系统中采用自制的压电陶瓷驱动电源。 2 DSP控制器工作原理 在对压电陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作为处理器，加上外围电路（A/D和D/A）构成DSP应用系统，实现对微位移器的闭环控制，如图2所示。该系统是一个独立的DSP应用系统，外部配有64K%26;#215;16位SRAM，可作程序或数据存储器用；128K%26;#215;8位FLASH（闪存）E2PROM，存放程序和常数。在boot loader方式下，把E2PROM中程序安装在TMS320VC5410程序SRAM中，并接着运行该程序。该系统配有USB接口芯片，通过1K%26;#215;8位的双向FIFO与TMS320VC5410 DSP进行通信。该USB芯片是一个从USB接口芯片，可直接与PC机或笔记本电脑进行高速数据传输。 另外，本系统还采用TLC320AD50C芯片实现数据采集和控制，该芯片的工作过程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C内部有一路A/D和D/A，字长16位，最高采样率为22.05kHz。TMC320AD50C使用过采样（OverSampling）的∑-Δ技术提供从数字至模拟（D/A）和模拟至数字（A/D）的高分辨率低速转换。该器件包括两个串行的同步转换通道（用于各自的数据方向）；在DAC之前有一个插入滤波器（Interpolation Filter），在ADC之后有一个抽取滤波器（Decimation Filter）；其它的高级功能有片内时序和控制。∑-Δ结构在低系统速度和低价格下实现高分辨率的模/数和数/模转换。该器件的选项和电路结构可通过串行接口进行编程。其选项包括：复位、掉电、通信协议、串行时钟率、信号采样率、增益控制及测试方式等。TLC320AD50C的工作温度范围为0℃～70℃，适用于一般工业机器人的工作环境。图3为TMS320VC5410与TLC320AD50C的连接电路。 图5 在机器人工作环境中存在很多干扰，为提高机器人的抗干扰性能，在DSP中加入了滤波程序，滤波器结构采用横向FIR结构，滤波方法采用自适应滤波。在算法方面，虽然RLS算法效率高、向最佳估计值收敛得快，但比较复杂：LMS算法简单而易于实现，能满足本项目的要求，足以保证性能，所以选用LMS算法。在阶数选取上，低则滤波效果不好，高则计算量大、不能满足实时性要求。为此，在满足实时性的前提下，同时兼顾滤波效果也尽可能好，经实验选取滤波器阶数为32阶。滤波器基本算法如下： ①for(k=0,k<32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k) ②e(n)=d(n)-y(n) ③for(k=0,k<32,k++)w(k)+ μ*e(n)*x(n-k) 算法程序流程如图4所示。 图5（a）为滤波前的信号，图5（b）为加入高斯噪声的信号，图5（c）是经过32阶FIR滤波器进行自适应滤波后的信号波形。可见能很好地去阶干扰，取得比较好的滤波结果，提高了机器人的抗干扰性能。 根据八面体变几何桁架微动机器人的结构特点和运动要求，设计并研制出基于PC机和DSP的主从计算机系统控制的微动机器人系统，实验结果表明，该系统具有较好的动态性能。