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摘要 全向移动机器人的运动控制系统设计 研究生姓名；石维亮 导师姓名t 王兴松教授 学校名称：东南大学 摘要 随着数字技术与机电控制等技术的高速发展，人们已经开始不断的尝试将移动机器人引入我们 工业的各个领域。以数字信号处理器为控制核心的电机控制系统的发展则极大的丰富了移动机器人 的运动控制手段，数字信号处理器优越的控制性能也加速了机器人技术的发展。本文结合了当前的 运动控制技术的现状，以新型的全向移动机器人为控制平台，开发以d s p 为核心的运动控制系统，包 括控制系统中的硬软件设计，对涉及的主要技术问题进行深入的分析与研究。 通过全向移动机器人的运动和控制原理分析和以d s p 为控制核心的运动控制系统的分析，设计 了基于d s p 控制技术的全向移动机器人运动控制系统方案，并对相关的功能部分进行分析。 在机器人的运动控制系统硬件设计中，本文将它划分为d s p 运动控制核心板设计和电机的驱动 控制板设计两大部分。设计以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为控制主体的控制电路以3 2 5 7 g 0 2 4 c r 型直流电 机为直接控制对象的闭环驱动控制电路，详细分析在这个运动控制系统中各功能块的多种可能的硬 件方案，最终建立完整的运动控制系统。 本文编制了相应的软件程序对运动控制系统进行调试分析，验证系统的可行性及稳定性。同时 还建立相应的物理控制模型，p i d 控制器模型，利用m a t l a b 软件分别采用p i d 一- - 调节因子的各种组合 控制对系统模型进行时域和频域的仿真与分析，并选择适当的校正环节和控制参数，在本系统上初 步实现了系统的数字p i d 闭环控制，同时也实现了全向移动机器人的运动控制。 关键词：运动控制，全向移动机器人，数字信号处理器，闭环控制，p i d a b s t r a c t d e s i g no fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m f o r0 m n i d i r e c t i o n a lm o b i l er o b o t b ys h iw e i - h a n g s u p e r v i s e db yp r o f w a n gx i n g - s o n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t w i t i lt h ef a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a la n de l e c t r o m e e h a n i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e s 1 0 t so fm o b i l er o b o t s h a v eb e e nu s e di nv a r i o u sf i e l d so f i n d u s t r y d e v e l o p m e n to f m o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ( d s p ) l a r g e l ye n r i c h e dt h ec o n t r o lm e t h o d so fm o b i l er o b o t s ，a n dt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo f d s pp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fr o b o t i c sg r e a t l y a c c o r d i n gt os t a t eo f t h ea r to f m o t i o nc o n t r o l ，ad s p m o t i o nc o n t r o ls y s t e mh a s c do nn e wo m n i - d i r e c t i o n a lm o b i l er o b o ti sd e v e l o p e di nt h i sp a pe r i n v o l v i n g t h eh a r d w a r e & s o f t w a r ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e ma n da n a l y s i s & s t u d yo f t h er e f e r r i n gt e c h n o l o g i e s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo m n i - d i r e c t i o n a lm o b i l er o b o t , p r i n c i p l eo f c o n t r o la n d m o t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do n t h e d s p , t h es c h e m e ，u t i l i z i n g t h e t e c h n i q u e o f t h a d s p , o f t h e m o t i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h eo m n i - d i r e c t i o n a lm o b i l er o b o ti sp r o p o s e d t h ea n a l y s i so ff u n c t i o n a lu n i t s r e l a t e dt os y s t e mi sa l s oi n c l u d e di nt h i sp a p e r 西ed e s i g no ft h eh a r d w a r eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fr o b o tc o n s i s t so ft w op a r t s ：d s pm o t i o n c o n t r o lc o r eb o a r da n dm o t o rd r i v e c o n t r o jb o a r d d e s i g n i n gt h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e dt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 d s pc o n t r o l l e r , d e s i g n i n gc l o s e dl o o pd r i v ec o n t r o lc i r c u i tw i t had i r e c tc o n t r o lo b j e c ta s3 2 5 7 g 0 2 4 c rd c m o t o r , a n a l y z i n gt h ed e t a i l so fo p t i o n a lh a r d w a r es c h e m e so f 也ef u n c t i o n a tu n i t si nt h em o t i o nc o n t r o l s y s t e m ，f i n a l l yai n t e g r a t em o t i o nc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r c o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n dp r o g r a m si sd e v e l o p e dt od e b u gt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dt e s tt h e f e a s i b i l i t ya n ds t a b i l i z a t i o no fs y s t e m p h y s i c a lc o n t r o lm o d e la n dp i dc o n t r o lm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，a n d s i m u l a t e db ys o f t w a r em a t l a bi nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i nr e s p e c t i v e l yw i t hpc o n t r o l ，p dc o n t r o l ，p l c o n t r o la n dp i dc o n t r 0 1 t h e n , t h ef u n d a m e n t a lc a p a b i l i t yo ft h ec l o s e dl o o pd i g i t a lp i dv e l o c i t y a d j u s t m e n tc o n t r o li sr e a l i z e dp r i m a r i l yi nt h ed s pm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb ys e l e c t i n ga p p r o p r i a t et y p e so f r e g u l a t o r sa n dp a r a m e t e r s ，f r o mw h i c ht h eu s e f u lr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fa d v a n c e dm o t i o n c o n t r o ls y s t e mo f m o b i l er o b o ta r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；o m n i d i r e c t i o n a lm o b i l er o b o t ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；c l o s e dl o o pc o n t r o l ； p i d i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 移动机器人技术 第一章绪论 随着电子通信与机电控制等技术的高速发展，人们已经开始并不断的尝试将智能机器或机器人 以及高效率的工具引入我们工业的各个领域。许多机、电、计算机一体化的新产品诞生，同时有许 多高技术人才在不断探索。对于新型移动机器人，自从进入8 0 年代以来，世界各国都广泛的进行了 研究与探讨儿”。图1 1 所示为国内外设计开发的移动机器人。这也在一定程度上代表了各国的移动 机器人研究水平。 ( a )( b )( c ) 图1 - 1 国内外设计开发的移动机器人 ( a ) 美国v c c 衄公司研发的战场救援机器人v e e n ab e a r ( b ) h z k h i t a e h i 公司开发的世界上移动最快的机器人脚i 明 ( c ) 美国f o s t e r - m i l l e r 公司为军方设计的机器人t a l o n ( d ) 中国科学院自动化研究所的智能移动机器人c a s i a - i 移动机器人是近年发展起来的一门综合学科，集中了机械、电子、计算机、自动控制以及人工 智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就1 3j 1 4 j 。现在，移动机器人的移动机构种 类己相当丰富，仅就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式。 各种移动机构各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求，但车轮式移动机构显得尤其突出，逐渐 成为机器人的重要组成部分之- - 1 5 1 。它的优势为：能高速稳定地移动、能源利用率高、机构简单、 控制方便、能借鉴日益完善的汽车技术和经验等等，其局限是只能应用于平面。但是，目前机器人 工作的场所几乎都是相对平坦的平地，所以从这个角度讲，轮式移动机构的在大多场合都有较广的 应用。 对于普通的轮式移动机构，转弯都需要一定的旋转半径，在狭小的空间常因无法横向移动而失 去作用，这在一定程度上就限制了轮式机器人的使用。而本文研究的麦克纳姆式全向移动机器人中 的全方位轮体则无需车体做出任何转动便可实现任意方向的移动，并且可以原地旋转任意角度，运 动非常灵活，可沿平面上任意连续轨迹走到要求的位置，成为新型移动机器人研究的热点 6 1 。 1 1 2 运动控制系统 信息时代的高新技术流向传统产业，这引起后者的快速变革。作为传统产业之一的机械工业， 在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的改变，微电子技术、微计算机技 术的高速发展使信息、智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电 一体化技术革新”。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其核心部分，也得到前 东南大学硕十学位论文 所未有的发展。所谓运动控制，就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按 照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制技术是一门综合性、多学科交叉的学科， 是推动新产业革命的关键技术。近年来，运动控制的新技术、新产品不断涌现，其中具有代表性的 是开放式运动控制器。这类运动控制器绝大多数采用专业运动控制芯片或高性能微处理器( 如单片 机，d s p ) 作为运动控制核心，主要用于控制步进电机或伺服电机。通常将开放式运动控制器与p c 机构成主从式控制结构：p c 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作；运 动控制器完成运动控制的所有细节工作。开放式运动控制器的出现一方面是满足新犁数控系统标准 化、柔性化和开放性等要求；另一方面使得运动控制技术由面向传统的数控加丁发展为具有开放结 构、能快速重组，更快更好地适应其他行业的应用需求的- - f l 技术“j i ”。 1 i 3 数字信号处理器 世界正朝着数字化的方向发展，且速度相当迅猛，而数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , 简 称d s p ) 正是这个数字革命的心脏。早自2 0 世纪6 0 年代以来，数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 就已日趋形成一项成熟的技术，并已开始在多项应用领域逐渐代替了传统模拟信号处理 系统。它是利用计算机或专用的处理设备，以数值的方式对信号进行采集、变换、综合、估计与识 别等加工处理，从而达到应用的目的。其中，c o o l e y 和t u c k e y 对离散傅里叶变换的有效算法的解 密，可编程数字信号处理器在2 0 世纪6 0 年代的引入，在很大程度上加速了数字信号处理技术的发 展。与模拟信号处理系统相比，数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺 寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点，所以目前大多控制己采用数字技术设计实现j 。 随着计算机与信息技术的飞速发展，数字信号处理技术及应用也藉此并围绕理论、实现及应用 很快发展起来，将诸多经典的如控制理论、信号与系统分析，模式识别等等一系列理论体系结合起 来，同时以此为基础形成自身独特的信号处理、快速算法以及各类滤波技术理论。而作为数字信号 处理的实际任务无外乎是能快速、高效、实时完成处理任务，这就要通过专用或通用d s p 来完成i l q 。 因此，在大规模集成电路( l s i ) 、高速处理器和嵌入式系统等技术的推动f ，数字信号处理器已经 广泛应用于自动控制、图像处理、通信技术、网络设备、仪器仪表等领域。这种采用哈佛结构的特 殊处理器为自动控制领域中需要的复杂数字信号处理算法和控制算法的实现提供了良好的实现平 台，其价值已经显现出来，越来越引起国内外电子信息产业的重视，已经发展为一个颇具潜力的应 用研究技术及市场。 1 1 4 电机控制技术 一个多世纪来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范闱已遍及国民经济的各个领域以及人 们的日常生活之中。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应 用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷i l ”。除了人们已经熟悉的普通电机外，许 多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设各的无刷直流电机和高精度的步进电机、 用于照相机的超卢波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等。另一方面，由于应用了电力电 子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典 型的例子【l “。在实际中，电机应用己由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速 度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、办 公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制 方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术已经不是传统的“电机控制”、“电气 传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、 转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制”。 1 2 国内外技术发展与现状 相对于国外的先发、领先优势，我国的机器人产业的研发远远落后于美、日两国。甚至比起韩 2 第一章绪论 国也落后一步，尤其是在青少年中远未开展机器人的组装、制作的科学活动，这将关系到二、三十 年后我国的产业发展。我国的机器人的研究与开发仍处于落后状态，我们的国人对于机器人的认识 可能存在着二个误区，一种是将机器人的开发视作是西方国家纯粹为了解决劳动力不足而去研制的， 而中国是世界人口大国，劳动力低廉，不必去开发此类产品；另一种则视机器人是孩子们的玩具， 却没有注意到一个新的层面，就是二者的结合导致了一种新的未来产业。机器人技术的发展在一定 程度上决定了一个国家的科技发展水平，我国只有首先重视机器人的研究并加大机器人的研究力度， 才能和那些发达国家缩小差距i 。 移动机器人是机器人中发展最快的一种类型，控制机器人移动的运动控制系统研究也自然为成 为近期的热点。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善运动控制器作为一个独立的工业自 动化控制类产品，不光是移动机器人上的应用，也不仅在传统的机床控制领域所占市场份额不断扩 大，而且已经被越来越多的产业领域接受，如在大规模集成电路焊接设备、医疗设备、磁盘驱动、 包装机械、纺织机械到木材加工设备等多个领域的应用。运动控制器的市场规模也越来越引人瞩目 1 1 4 】o 运动控制系统的直接控制对象有很多，如电磁式器件、直流交流电动机等。其中的电机运动控 制技术是以电力半导体器件的应用为基础，以电动机为被控对象，以自动控制理论为指导，以电子 技术、微处理器控制和计算机辅助设计为手段，并且与检测技术和数据通信技术相结合，构成了一 门具有相对独立性的科学技术。 以d s p 作为核心处理器的开放式运动控制器。这类运动控制器利用d s p 的高速数据处理功能， 便于设计出功能完善、性能优越的运动控制器。运动控制过程中，由d s p 实现复杂运动轨迹规划与 多轴协调控制、实时的插补运算、伺服控制滤波等数据运算和实时控制管理。这类开放式运动控制 器以p c 机作为信息处理平台，运动控制器多种形式嵌入p c 机，如，“p c + 运动控制卡”的模式。 这样将p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在一起， 具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点i ”1 。 1 3 课题意义及研究内容 1 3 1 课题的研究意义 随着自动化技术的快速发展，机器人的在工业生产及日常生活中的应用定会越来越广泛。当今， 很多领域已经将各种机器人引入工业生活中使用。如，导游导购机器人，娱乐机器人，装配机器人， 搬运机器人这对新型机器人的研究开发及其机器人的实用型研究并将提出更高挑战。机器人本 身就是一个多学科知识融合的产物，涉及机械、电子、计算机、自动控制、以及目前研究热点 人工智能1 1 q j 。从社会进步的角度看，机器人的引入也符合了发展规律，一些简单重复的工作可以 交由机器人完成。目前，移动机器人的研究在各类其他机器的研究中扮演了一个重要的角色，移动 机器人即是模拟并可发展到一定程度上代替人的运动，来代替人去实现移动的任务，如，移动中进 行外星球地表勘测及图像采集，残障人士的自动移动轮椅 对移动机器人重要的运动控制而言，设计上要求灵活易升级易修改，增强运动可靠性，同时运 动控制系统也要具备体积小、经久耐用、性价比高的特点。设计这样一个控制系统作为机器人的控 制平台，可以使学习者对被控对象的运动特性、硬件结构和软件控制等方面有更加直观的理解和认 识。也可以为以后本课题的全向移动机器人的研究提供基础和积累宝贵的经验，进一步完善系统可 以使课题涉及的移动机器人应用更广，同时也能为我国移动机器人运动控制系统的研究出绵薄之力。 1 3 2 论文的主要研究内容 本课题主要研究，在全向移动机器人这种特殊的移动平台下，数字信号处理器在电机控制系统 中的应用，整个控制平台的运动控制系统硬件上主要分为运动控制核心和电机驱动控制两部分。核 心控制板主要由d s p 代替了以往的单片机，而被控对象是指机器人上的四只驱动电机，目前采用的 3 东南大学硕士学位论文 研究对象是中小功率直流电机，通过电磁式编码器和电流传感器等手段分别测得被控系统中转速( 位 移1 和电流等信号，通过经典算法进行运动控制和故障诊断。本文还设计了相关的软件程序，并对整 个系统进行调试。以p 1 d 控制器为主要模型实现控制系统的闭环控制。 从论文结构上归纳而言： 第一章进行课题背景相关研究，包括了移动机器人技术，运动控制系统、数字信号处理器、电 机控制技术等热点问题的探讨； 第二章主要是针对全向移动机器人的运动控制系统的方案设计，包括了d s p 的选型与介绍； 第三章是d s p 运动控制核心板的硬件设计，包含了详细的电路功能部分的设计： 第四章是机器人的电机驱动控制板的设计，以及全向移动机器人运动控制平台的建立： 第五章是粘个运动控制系统的调试与分析，包括相关软件的介绍与关键程序的设计： 第六章研究控制系统的算法及相应的p i d 设计，包括了系统建模和m a t l a b 仿真分析； 第七章进行全文总结，总结本课题及论文的工作内容，并针对论文不足提出课题展望。 4 第二章全向移动机器人运动控制系统方案设计 第二章全向移动机器人运动控制系统方案设计 全方位移动是一种可咀在平面内沿任意方向、任意轨迹进行连续运动的运动方式，可以完全控 制机器人在平面运动的三个自由度，包括两个水平运动分量和一个自身姿态旋转分量。轮子的种类 和轮子的配置是十分重要的，它们的组合影响这个移动平台的机动性、控制灵活性和稳定性。根据 配置不同的全方位轮组合方式可以设计出很多的全方位移动平台，本文的机器人系统所研究的对象 为由四个麦克纳姆轮( m e c a n u m ) 轮构成的全向移动机器人“。 2 1 全向移动机器人系统组成 如图2 一l 所示，本文研究的机器人系统在此可以分为三个部分，机器人本体、车载运动控制系统、 上位机及其它功能设备。本文着重研究机器人本体上的车载运动控制系统的设计。 ) 轲2 - 1 机器人系统的组成 2 1 1 机器人本体 本课题所研究的控制对象采用改进的l i 代全向移动机器人( “冥王一i i ”) ，如图2 - 2 所示【“1 。它 由四个m e c a n u m 式全向移动轮( 以下的全向移动轮若无特殊说明均指m e c a n u m 式) 组合而成，轮 体的中心在平面上分布于正方形四个顶点，每个轮体都由一台电机独立驱动。它可以在路面良好的 工作场所全方位移动。车体上面乘载着运动控制系统板卡、上层控制的上位机及其它功能设备。 图2 - 2 全向移动机器人“冥王一i i ”本体 东南大学硕上学位论文 2 1 2 车载运动控制系统 车载运动控制系统采用t i 公司t m s 3 2 0 系列运动控制专用d s p 芯片为控制核心的运动控制器 来控制机器人的四台直流电机。系统中辅以电机编码器反馈与电机的电流反馈。并采有合理的控制 算法就可以精确的进行机器人的移动、转位、起停、加减速控制。 这种运动控制专用d s p 芯片将一个高速的d s p 内核和一系列电机控制所需的如模数转换器 ( a d c ) 、脉宽调制模块( p w m ) 等外围设备集成起来，使得它们从硬件机制上很好地满足大多数 电机控制系统的需求。这类控制芯片采用深亚微米c m o s 工艺制造，功耗极低，片内的大容量存储 器一般可以满足用户程序和数据存储的要求。其次，片上的通信机制也可以使我们很容易实现该系 统与上位机等其它系统的通信。 2 1 3 上位机及其它功能设备 运动平台若要实现更高级的智能运动必需耍有高层的计算机来控制，这个计算机在功能上我们 可以称之为上位机，它是机器人的大脑，它负责宏观的协调各个功能部件与运动控制系统及机械本 体的相互控制反馈关系。也负责收集各功能块的信息，在计算机内部分析处理，最后指挥机器人的 运动，或控制某些功能部件去完成预定的工作。 机器人的运动离不开像人一样的眼睛、耳朵等，而可以模拟实现这些功能的全景摄像头、测距 传感器等功能部件同样是非常重要的，它们可以为机器人收集必需的环境信息，将信号传输给上位 机，上位机处理后，再传达到运动控制系统中来指示机器人的运动。 因这一部分超过本课题研究范围，故本文不会对此展开论述。 2 2 运动系统总方案的分析与拟定 2 2 1 全向移动原理与控制 本文的全向移动机器人无常规意义上的转向机构，结构上分前后两轴，且前轴及后轴的左右两 轮独立驱动。若这里四个轮子为普通车轮，这种组合只能实现前后的运动，若要转向，则需要加装 转向辅助机构。但对于全向移动轮来说，其特点就是能产生一个相对于轮体的轴向分力，通过调节 各个轮子驱动电机的转向和转速，形成一个与地面固定坐标系成一定角度的合力，进而即可实现了 整个轮系的全方位运动。 图2 3 为全向轮上辊子的空间分布示意图【6 j l “j i ”j 。 ( a )( b ) 图2 3 全向轮上的辊子的空问分布示意圉 ( a ) 类似斜齿轮的鼓形辊子分布图 ( b ) 轮体轴线方向视图 全向移动轮的圆周上并不是普通的轮胎，而是分布了许多小辊子( 具体个数由设计参数决定) ， 外形更像是个斜齿轮，只是这里的轮齿换成是经特殊参数化设计的鼓形辊子，见图2 - 3 ( a ) 。i i 代的 设计中，我们对辊子进行了改进。因原有i 代机器人轮体四周上均为铝制辊子，故长时间行驶后辊 6 第二章全向移动机器人运动控制系统方案设计 子会有轻微磨损，并在地面光滑度较高时会有一定程度的打滑。i i 代的全向移动机器人的辊子已设 计为铝制芯筒外裹硬质橡胶打滑及磨损情况可以大大改善( 如图2 2 所示) 。辊子的轴线与轮的轴 线成口角度，并且辊子可绕自身轴线自由旋转。如图2 3 ( b ) 所示，这些辊子的外轮廓包络面与轮 子的理论圆柱面相重合。这样的特殊结构便得轮体具备了三个自由度：绕主轮轴的转动和沿辊子轴 线垂线方向的平动和绕辊子与地面接触点的转动。这样，驱动轮在一个方向上具有主动移动能力的 同时，另外一个方向也具有自由移动( 被动移动) 的运动特性。当电机驱动车轮旋转时，车轮以普 通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋转口o i l 2 1 1 1 2 ”。 图2 - 4 为移动机器人的四轮组合及运动分析图。由图可见全向移动机器人的车轮组合情况”l ， 轮体有左右旋之分( 左上角的为右旋，右上角的为左旋，左下角的为左旋，右下角的为右旋) ，轮中 的小斜线表示与地面接触的辊子的轴线方向。每个全方位轮都由一只直流电机独立驱动，通过四个 全方位轮的转速转向适当组合，可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。四个全方位轮组 成的机器人本体的受力与运动分析如图中所示，其中e 为轮子滚动时小辊子受到轴向的摩擦力；e 为小辊子做从动滚动时受到的滚动摩擦力( 相比于e 较小，可忽略) ；口为各轮转动的角速度矢量 2 s 1 1 2 4 1 。 ( a ) ( c )( d ) 图2 - 4 四轮组合及运动圈 ( a ) 纵向移动( b ) 横向移动( c ) 斜向移动( d ) 原地旋转 对于图2 - 4 的四种运动方式，以图2 珥( d ) 的逆时针原地旋转运动为例分析，此种情况，左侧 两轮旋转矢量方向向右( 轮子向后转) ，右侧两轮脚方向向左( 轮子向前转) ，转速大小相等，我 们利用牛顿定律可以判断各轮所受的辊子轴向力c 与辊子滚动摩擦力e 的方向如图所示，各轮的 只、e 分别都是相等的，因为本设计辊子轴上安装的是滚珠轴承，故滚动摩擦力e 很小。这些力 的合力是绕机器人本体中心轴( 垂直于纸面) 的逆时针力偶，故其表现为逆时针转动，其旋转中心 在机器人本体中心轴，故旋转半径为0 ，在狭小的空间可以很好的利用这一特点灵活运动。 同理可以推得，图2 4c a ) 中，地面对移动机器人的合力是向前的，故运动形式表现为纵向的 前向运动。图2 4 ( b ) 中，地面对移动机器合力是向左的，故运动形式表现为横向的向平移运动。 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 ( c ) 中。地面对移动机器的合力是斜向的左上角方向运动，注意这里的左上角和右下角的两 轮都是停转的，只靠轮上与地面接触的辊子在地面上被动的滚动。其它形式的运动如后退、右移、 右斜向等运动，可依理推得。 2 2 2 基于d s p 的典型控制系统 典型的控制系统可以认为由控制器、被控对象和传感反馈电路构成。控制器是根据上位机所下 达的预期控制指令与传感电路反馈回来的信号相比较，用误差信号作为直接的控制鼍，再经过合适 控制算法计算出适量的修正号送给被控对象。目前控制领域中。采用体积重量功耗成本均很低的数 字信号处理器来进行数字控制的方式能够用软件支去实现复杂的算法，可以通过修改软件程序而不 是改硬件电路米实现不同的控制方法，这样控制器同样具有很高的可靠性和易维修测试且抗干扰能 力强的特点。这也使d s p 控制成为一种趋势。 数字信号处理器( d s p ) 的典型控制系统应包括前向通道、d s p 控制器和后向通道3 个部分。 如图2 5 所示为d s p 控制系统的典型。 图2 - 5d s p 控制系统的典型结构 在控制系统的前向通道中，先要通过传感器将从被控对象处采集到的各种信号( 如，电信号、 机械信号、生物信号等) 转换一定幅值的电信号。这些信号然后要经过滤波采样通过a d 转换电路 或v ，f 转换电路转变成数字信号。此时，d s p 控制器负责将前向通道输出的数字信号按一定的算法 进行计算处理，这样就得到了一定的控制逻辑，然后将处理后的结果以数字流的形式通过后向通道 来控制被控对象。这里的所说的后向通道主要由d a 或f n 转换、平滑滤波、功率放大等电路组成 【2 s 1 。 综上所述，在一个以d s p 为控制核心的控制系统中，d s p 控制器大体可以完成以下一些工作： l - 实时控制：根据给定的要求及控制规律，对被控对象的各个物理量( 如电流、电压、转速、 加速度等) 进行在线实时控制。 2 监控：完成信号检测与反馈、事故报警与处理、系统诊断与管理等工作。 3 数据处理：完成必要的数据采集、分析处理、计算显示、记录通讯等任务。 2 2 3 全向移动机器人的运动控制方案设计 由上一小节的典型d s p 控制系统的分析可知，就本课题而言一个完整的控制系统，应该包括 d s p 控制器、驱动电路、控制对象( 电机) 和传感器这几个部分。在该系统中，电机是最终的要控 制的对象包括其负载，即移动机器人的轮体及相应的本体机械。d s p 为运动控制系统的“大脑” 控制器，对预期、反馈等输入进行计算处理，控制设计的控制规律形成控制指令，输出数字的 控制信号。信号经过隔离( 放大) 后驱动功率器件，以对电机进行速度控制a 由现代控制系统理论知稳定的控制系统必需要是一个闭环系统，故在本文的控制系统中。闭环 8 第二章全向移动机器人运动控制系统方案设计 控制也是必须的。闭环控制的反馈信号由传感器检测得，一般的传感器输出信号可以是数字量的也 可以是模拟量的，若为数字量的( 如电机的光电编码器信号) 若有必要则可以通过隔离直接送入d s p 控制器的正交编码单元去处理；若为模拟量( 如电流电压信号) 的，则需经过滤波、采样，保持后经 a d 转换成数字信号反馈给d s p 控制器。 对于本课题研究的移动机器人，由于特殊的轮体结构使得机器人可以全方位移动，若考虑多种 复杂曲线运动形式，则地面与辊子的摩擦力会变大，辊子的磨损也会变大，且从能耗角度考虑，尽 量设计易于实现的运动形式，如前进、后退、侧移、斜向移动、原地旋转等，并且大部分移动要求 都可以通过简单运动形式来实现。设计中为了便于控制，机器人的四只驱动电机均选用相同型号， 且运动设计时的四轮的轮速在数值上多相同，有时符号会有正负之分( 即表示轮体向前滚动和向后 滚动) 。具体运动的电机转向组合，如表2 1 所示，图中l 、2 、3 、4 号电机分别分左前、右前、左 后、右后位置上的驱动电机。 表2 1 各运动的电机转向组合表 运动形式符号l # 电机转向2 # 电机转向3 # 电机转向4 # 电机转向 前进 t+ 上 + 后退 l 左移 + 右移 + 左前 、 0 + 0 右前 ，+ 00 + 左后 00 右后、o0 顺时针旋转 o + 逆时针旋转 l ，+ + 注t 上表中电机转向。+ ”定义为。电机转动使车轮前滚，。一5 定义为电机转动使车轮后滚，。0 ”定义为电机 停转。 如表2 1 所示，因为设定的控制方案中电机的转速转向组合具有一定的对称性，如前后运动、 左右平移、顺逆时针旋转，必有两轮或四轮的转速转向是一致的且四电机型号相同。即使是斜向 的四个方位的移动，也有两轮转速转向相同( 对角线方位的) ，但是其余两轮转速为零，注意这里的 两停转的电机也是对角线方向的，即前轮或后轮的转速各之都是不同的。这就可以在控制方案中， 只对前轮或后轮的两只电机进行信号反馈。对电机的主动控制时即可以根据控制的对称性与误差 信号对相同转速转向电机输入相同的控制信号，这可以降低控制的复杂性，也可以节省系统的资源。 机器人的运动控制系统的总体结构如图2 - 6 所示。 9 东南大学硕k 学位论文 左后 图2 - 6i ) s p 运动控制系统方案 右后 本控制系统中的d s p 控制器根据预期的控制值与编码器和电流反馈的误差信号进行运动控制， d s p 对误差用一定的控制算法进行分析计算和处理，然后输出p w m 控制信号驱动控制电机。系统 可以用i o 口来外部调试，与外部的通讯可以用异步串行通信( s c i ) 或c a n 总线通信，可以将数 据传送并保存到上位机，为进一步分析提供基本数据。 2 3 车载控制系统的软硬件构成 本课题是针对全向移动机器人的运动控制系统进行设计这是一个闭环的控制系统，在此，有 必要嗣绕整个控制过程，对控制系统进行功能上的划分，了解系统的特点清楚系统的构成。 2 3 1 整个控制系统特点 本运动控制系统是对四个直流电机进行控制，四个电机运行参数具有一定的对称性，故硬件上 首先需要对一只电机的运动控制进行控制设计，软件算法上可以实现全向移动机器人整体的协调运 行。控制电路分为d s p 控制核心扳和电机的驱动控制板，d s p 核心控制板和电机驱动控制板都具有 很好的通用行。这样较为通用的系统只需辅以合适的控制策略与算法就能完成不同的控制任务。 2 3 2d s p 运动控制核心板 d s p 运动控制核心板独立制作为了在不同应用系统中避免重复设计，减少了开发周期。而且从 节省成本的角度出发，一个通用的核心板的设计也是必需的，同样的控制主板，换了不同的应用系 统若控制要求满足，只需为其设计相应的应用板即可。 本系统中用专用数字运动控制的d s p 控制器作为整个控制系统的核心，其内核与片内外设已经 能完成大部分电机控制功能，其中包括了口6 】： 带可编程死区控制的脉宽调制( p w m ) ，进行电机的运动控制： 利用片内正交编码脉冲( q e p ) 单元，来实现电机光电编码器的转速反馈信号采集； 利用a d 转换电路( a d c ) 实现电机母线电流的反馈信号采集； 通过系统的数据总线扩展外部存储器，用i o 口进行外部凋试( 如使用遥控信号控制) ； 运用异步串行通讯( s c l ) 口或c a n 控制器和外部通讯( 如与上位机的通信) 2 3 3 驱动控制板 驱动控制扳是由d s p 为控制核心的控制板扳下挂接的一块电机驱动电路。该扳主要负责驱动控 1 0 第二章全向移动机器人运动控制系统方案设计 制全向移动机器人的四只驱动电机，并带有与外部通信的通信接口。驱动控制板的性能直接决定了 机器人系统的移动性能。 2 3 4 控制算法及软件 除全向移动机器人系统的必备硬件外，机器人要能够可靠精确的运行离不开控制机器人运行的 软件系统，这里包括运动控制程序，以及其于一定运动控制策略的算法设计。这一部分在一定程度 上也决定了机器人运行的稳定性和精确性。 2 4d s p 的介绍与选型 目前，d s p 芯片品种很多在成本、体积、工作电压、重量和功耗都有了很大程度的下降，且 支持程序存储器、数据存储器和d m a 的访问及程序的单部运行和跟踪等，有些厂家甚至提供了通 用的函数库及各种算法子程序和各种接口程序。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构， 具有专门的乘法器，提供特殊的d s p 指令，可以用来实时快速地实现各种数字信号处理算法，具有 稳定性、可重复性、可编程性和自适应处理等优点。 2 4 1d s p 的结构特点 d s p 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，它采用特殊的软硬件结构1 2 ”。 ( 1 ) 哈佛结构 单片机多数采用的是冯诺依曼结构，它将指令和数据存储在同一存储器中，统一编址， 依靠指令计数器提供的地址来区分是指令还是数据，所有的操作都必须经过累加器，很容易造 成瓶颈效应。哈佛结构是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器 是两个相互独立编址的存储器，取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活 性，t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程存储器， 并被算术运算指令直接使用增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器中，执行指令 时不需要再从存储器中读取指令，节约了1 个指令周期的时间。 ( 2 ) 流水线 处理器中一条指令的操作往往分为取指令、指令译码、取操作数和执行等几个阶段。在流 水作业中，取指、译码、操作、执行可以独立地处理。在每个指令周期内，有多个不同的指令 同时处于激活状态，使指令执行完全重叠。d s p 芯片广泛采用流水线技术以减少指令执行时间， 从而增强处理器的处理能力。现有t m s 3 2 0 系列d s p 的流水线深度可达6 - 8 级不等，而一般单 片机最多可以实行两级流水线作业。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器 乘法运算是数字处理的重要组成部分，也是各种算法实现的基本元素之一。在通用的微处 理器中，乘法指令是由一系列加法、移位来实现，需要许多指令周期来完成。d s p 具有独立的 硬件乘法器，能在单个周期内完成乘法操作，同时提供专门的乘加指令m a c 。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令 为了适应数字信号处理的要求，d s p 支持些特殊指令。这些只需一两个指令周期的特殊 指令能够实现循环寻址、反转位寻址等一些在数字信号处理中非常有用的功能。如循环寻址功 能使得编程者只用很少的一两条指令就能实现数字滤波的乘累加且带数据移位的基本运算；只 需用重复指令和反转位寻址就能实现在基- 2 f f t 中的数据点的位序重排。如果在单片机中实现 上述功能的话，往往需要编制一段专门程序才能实现这不仅给程序设计者带来很大的麻烦， 而且也增加了处理器的处理时间。 ( 5 ) 较高的主频 d s p 的主频一般比单片机要高许多。从指令周期来看：低档d s p 一般为5 0 n s , 中档d s p 一般为l o l l s ；高档d s p 一般为5 n s 从处理能力来看：低档d s p 一般为2 0 m i p s ；中档d s p l l 东南大学硕士学位论文 般为i o o m i p s ；高档d s p 一般为1 6 0 0 m i p s 。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特 殊的d s p 指令再加上集成电路的优化设计和日益丰富的外设资源，使d s p 芯片与单片机相比 具有更高的信号处理能力，能满足高端性能产品的需求。 2 4 2 主流d s p 简述 t i 、a d i 、z i l o g 、l u c e n t 和m o t o r o l a 等公司相继推出了自己的d s p 芯片，其中美国德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i )