基于DSP 的新型球形机器人控制器设计

球形机器人是最近国内外比较热门的课题。无论是国内还是国外，都有不少成功的例子。作者在参考了众多的机器人实例后，提出了独特的球形机器人驱动机构，即并联驱动机构。相比以往的球形机器人驱动机构，该机构具有结构简洁、占用空间小的特点，但它的控制算法比较复杂，一般的单片机很难胜任。本文介绍的系统是以计算能力强的DSP为核心所设计的新形球形机器开环控制器。其相应的系统硬件电路、开环控制模型以及软件控制流程分述如下。
1  驱动机构简介
　　目前的球型机器人大都采用重力驱动，即通过某种机构改变整个系统的重心，从而使它按特定的方向运动。本文所设计的球形机器人也是依据这一原理，其结构简图如图1所示。

　　该机器人有4个电机，每个电机带着一个偏心重块，按空间对称方式安装在球壳内部，并且D1、D2、D3、D4 4个电机的回转轴分别都指向球心。每个电机都带角度传感器，用于测量电机的转角，分别如图中的S1、S2、S3、S4。当电机带动偏心重块转动至不同的位置时，整个系统的重心也会随之相应地改变。球体在新的重心作用下就会向特定的方向滚动。
2  控制系统设计
　　如图1的球形机器人系统控制电路的整体方案如图2所示。系统由带DSP的主控制板、采样电路、电机驱动电路、无线接收模块和无线发送模块组成。当主控制板通过无线收发模块接收到“启动”的命令字后，和采样电路、电机驱动电路协调工作，驱动系统重心至指定位置。

2.1 主控制板简介
　　为了保证控制电路的可靠性，加快系统的开发进度，系统采用上海迅特电子有限公司的目标板IMEZ2407作为主控制板。该板是一个DSP的最小系统，其结构简图如图3所示。

　　从图3可以看出，IMEZ2407主要解决TMS320LF2407的周边必备电路，如电源模块、晶振和PLL振荡电路、编程电源VCCP(接+5V或地)运行模式MP/MC选择的跳线、JTAG接口等。另外板上还带有1片64KB的SRAM，用作调试时的程序运行空间。调试完成后，再将程序烧入DSP的Flash程序存储器中。
2.2 采样电路
　　采样电路用来采集电机的转角信息。这里，角度传感器用无限旋转式的滑动变阻器。电位测量采用电阻桥方式。信号放大采用TI公司的INA321仪器放大器。采样、放大电路如图4所示。图中，R1~R4取大电阻以降低测量电路的功耗，R5可以调节电阻桥使它达到平衡，R6用来微调放大器的放大倍数，S为角度传感器。根据INA321的数据资料，放大电路的放大倍数计算公式如下：
　　A=5+5×(R6+R7)/R8

2.3 电机驱动电路
　　系统所使用的电机为普通的直流电机，并带有减速器。电机参数为：额定电压：5V。额定电流：80mA。额定转速：60r/min。
　　基于以上参数，作者选择了LG9110作为电机的驱动芯片。电机驱动电路如图5所示。

　　图中INPUTA和INPUTB接到DSP的2个PWM输出口上。MORTOR+和MORTOR-接直流电机的二端。LG9110的逻辑关系如表1所示。当IA和IB分别为高电平和低电平时，电机就会转动，而欲使电机换向，可以通过同时翻转IA和IB的电平值来实现。当IA和IB同时为低电平时，电机二端电压都为低电平，电机不工作。

2.4 无线收发模块
　　控制系统的命令传输采用无线收发方式。发送端由控制键盘、单片机和无线发送模块组成。控制键盘包括“启动”和“停止”按钮。当按下“启动”键时，单片机就会通过无线模块发送START命令字；按下“停止”键时，单片机发送STOP命令字。接收端由接收模块及串口传输接口组成。可以将接收到的数据通过串口发送给DSP。DSP控制器在接收到命令字后执行相应的动作。无线收发模块如图6所示。

      发射和接收模块电路是一致的，只是发送端的无线模块由单片机控制，而且有2个命令按钮控制发送的数据，如图6(b)。接收端的数据接口则连到DSP，如图6(c)。
3  开环控制模型
　　球形机器人的开环控制模型如图7所示。假如适当地控制4个偏心重块的运动，使它们的合质心Mc的运动轨迹S在竖直且过球心的行进面内作匀速圆周运动；如果忽略偏心重块转动造成的离心力和惯性力，则球体就会在平面上作直线运动或近似直线的运动。

　　该机器人基于上述原理的开环控制模型如图8所示。

　　输入为给定的轨迹方程，即图7中的S，然后由转角求解器求出各电机的转角，并与实际采样所得的转角值求差分，再经PID控制器算出占空比和转向。
　　基于上述开环控制模型的控制程序框图如图9所示。由于DSP具有强大的处理能力，使得以DSP搭建的系统能及时、快速地处理机器人的多种信号。本文所描述的球形机器人控制系统，正是基于DSP处理器的这一特点，充分运用DSP强大的乘法运算能力，快速地处理机器人的位姿解算和实时控制，使球形机器人实现直线运动或更复杂的轨迹运动。