基于MSP430的机器人舵机控制软硬件设计与开发开题

1、北京石油化工学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称：基于MSP430的机器人舵机控制 软硬件设计与开发 题目性质： 设 计 型 学生姓名： 专 业： 测控技术与仪器 学 院： 信息工程学院 年 级： 2010级 指导教师： 2014年3月7日一、 选题背景、研究意义及文献综述1、选题背景机器人舵机的概念起源于对”舵模航机”的改进。长期在各种教育娱乐机器人上大量使用的“舵模航机”可以实现位置伺服的功能；由于它具有高度集成、标准统一、控制简单、价格较低等特点，因此广泛使用在各类教育娱乐机器人上。但是，“航模舵机”毕竟是用于航模的产品，用作机器人关节伺服单元，有控制精度不高、无法整周旋转、没有反馈

2、信息、响应较慢、线缆杂乱等明显的不足。舵机控制系统是机器人中重要的组成部分，它的性能好坏直接决定着机器人的实时操舵性能。因此，舵机控制系统也随着机器人的不断发展，取得了长足的进步。对于舵机运动控制器来讲，主要任务就是通过总线接收嵌入式计算机的控制指令，根据操舵指令控制舵机的正反转，实现位置控制。舵机，顾名思义，大海航行靠舵手，舵机早期是应用在航模中控制方向的，在航空模型中，飞行器的飞行姿态是通过调整发动机和各个控制多面来实现的，后来有人发现这种机器的体积小、重量轻、扭矩大、精度高，由于具备了这样的优点，很适合应用在机器人身上作为机器人的驱动。2、研究意义机器人是自动执行工作的机器装置。在机器人

3、系统中,采用PWM波信号控制的舵机是重要的执行机构,它是机器人控制动作的动力来源。为便于系统扩展和升级,在飞控系统中往往采用分布式策略,将舵机的控制部分作为一个独立单元进行设计,称为舵机控制系统。传统产生PWM波的方法是通过大量的分立原件来实现的,所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确,很难做到对舵机的精确控制。另外,利用CPLD或FPGA产生PWM波已在很多场合得到应用,依靠CPLD或FPGA特有的并行处理能力和大量的I/O接口,可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作,但CPLD或FPGA生成PWM波时,并不具备事务处理能力,实际应用中还需要MCU配合工作,加之成本高,开发设备昂贵,极大的限制

4、了它的应用范围。由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度高、价格低廉等特点,用它产生PWM波在实际中得到了广泛应用。的利用MSP430单片机利用自带的定时器产生PWM波的方法,成本低,性能稳定,并成功应用于实践。3、文献综述最早出现于商代的船尾舵是中国古代在造船和航行技术方面的一项重大发明，其前身为船尾舵桨，在商朝已经使用，用来控制船只的航行方向。出土于长沙、广州和湖北江陵的汉代船只模型都有一个共同点，就是船尾都设有桨手，用来控制和操纵船的航行方向，这种设于尾部的桨通常称为操纵桨，桨柄增长就成为艄（桨舵合一），用以控制船的航向。操纵桨在长期应用中增加了桨叶的面积，便于控制船的方向，然后逐渐产生了

5、真正的舵。船尾舵的出现，在船舶发展史上是一件有重大意义的事件，舵结合风帆和指南针就成为确保船只安全航行的三大条件。我国宋代以后出现的性能优良的平衡舵，它把一部分舵面积分布在舵柱的前方，因而缩短了舵压中心与舵轴的距离，减少转舵力矩，使操纵更加轻便。同时，还把舵面做成扁阔的形状，以增大舵面面积，提高舵的作用能力。类似的平衡舵，欧洲直到 18 世纪末、19 世纪初才采用。采用平衡舵，至今仍是船舶设计中降低转舵力矩的一个最普遍和最有效的措施。早期的舵机是人力直接操纵或人力驱动增力装置操纵的，船体较大或航行远洋时，如果遇到暴风雨，就会出现操舵困难甚至有船毁人亡的危险。 十八世纪瓦特发明蒸汽机后，船舶由帆

6、船时代进入动力船舶时代，船舶越造越大，这对舵机提出了大功率和操舵位置由船艉向船桥移动而产生远距离操纵的要求，出现了蒸汽式舵机和机械式远距离操舵装置，这种舵机一直应用到二战前后。电气的发明为舵机带来了新的突破，出现了电动舵机和电动液压舵机。其中电动液压舵机具有功率大，结构简单，易于控制等优点，目前几乎全部动力船都采用这种操舵方式。远距离操舵装置也由机械式向易于操作的电子+液压式发展。现代舵机主要有全电舵机、电动液压舵机两种。全电舵机受功率的限制主要应用在小型渔船和游船上，而在大型舰船上均采用电动液压舵机。电动液压舵机按照转舵机构可分为双柱塞缸拉普逊滑块式、四柱塞缸滚轮式、摆缸式和转叶式等四种舵机

7、形式。在船用机械中舵机液压化的历史是比较悠久的,日本川崎重工1从1942年开始生产电动液压舵机,目前已能制造和出售从印总吨小型渔船用到600000载重吨油船用的各种型号的舵机.在此期间进行了从低于加kgf/cm得2kgf/cm的高压化、油船为中心的大型船(VLCC与ULCC级)吊杆的大型化和小型舵机遥控装置的研制工作.最近又研制了与强化舵机规范相应的新系统舵机和以船舶节能为目的的连续控制舵机.舵机在机器人的应用上也取得了非常大的发展。嘉应学院2，基于单片机AT89LP4052的舵机控制器的设计。针对机器人舵机产生的PWM的稳定和方便需求，提出利用AT89LP4052内部集成的PWM单元来提供控

8、制信号。具体介绍了舵机的控制方法与舵机控制器系统的设计。通过滑动条来改变占空比系数。实验证明了单片机输出的PWM波形。该PWM输出用于控制GWS-03T舵机输出转角,舵机转角能平稳该变,输出准确。河南工业大学机器人研究所3, 一种基于IIC总线通讯的机器人舵机系统的设计针对目前市场上己经出现的以UART串口通信作为主从设备间数据交互方式的机器人舵机所存在的通讯指令编程复杂,数据交换量大,无法自动仲裁等问题,本文介绍了一种以护C总线取代UART通讯模块的机器人舵机系统的设计,并尝试使用一种位置和转速分时控制的方法来解决单片机同时对位置和速度两项参量进行数字PID控制时,由于计算量和内存开销量过大

9、造成的程序运行不稳定等问题。东南大学机械工程学院4，对小型多自由度机器人舵机群控制系统设计。针对小型多自由度机器人关节控制的需求,提出一种高精度多路PPM信号生成方法。具体介绍了系统的硬件电路和软件实现方法。对多路PPM信号的生成方法和数据排序算法等系统的关键部分进行了详细的阐述。测试结果表明,系统生成的24路PPM信号时间精度可达2us,精度误差小于0.2 us 。中国科学技术大学精密机械与精密仪器系5，基于AVR的蛇形机器人舵机控制。以蛇为模型简化为多关节的蛇形机器人,是以舵机作为关节连接件.提出了利用AT-mega16L嵌入式微处理器产生6路PWM信号控制舵机的方法,并利用控制函数实现了

10、舵机的5种调速,完成了蛇形机器人的蜿蜒运动.博创科技6开发的 proMOTION CDS 系列机器人舵机，解决了传统舵机用在机器人上的各种问题，同时继承了传统舵机的各种优势。CDS5500 机器人舵机的主要特色（与航模舵机对比）控制精度高。位置伺服控制分辨率可达 0.3 度。响应速度快。响应时间可达 2ms，而传统航模舵机为 20ms。通过串行总线控制，可最多连接数百个单元；每个单元均具有位置、速度、力矩等反馈，用CDS 系列舵机搭建的机器人可以用人工示数来设定动作；即用户用手调整机器人的各个关节姿态，机器人舵机能够自动记录位置、速度等参数，并由用户播放。不再需要一个关节一个关节地设置参数，不

11、再需要设置参数后再观察关节是否到位、参数是否合适。能整周旋转，适合用在机器人关节上，也可作为轮式机器人的动力驱动。具有强大的保护功能。可以限制电流、温度等参数，如果温度过高等可以报警或自动停机，防止损坏。CDS5500 机器人舵机的主要特色（与韩国机器人舵机7对比）运行速度快。韩国 AX12+的最高转速为 50rpm，博创 CDS5500 为 72rpm。兼容传统舵机尺寸和接口。CDS5500 可以直接替换传统舵机，将使用传统舵机的机器人升级为采用机器人舵机；而 AX12+结构和通讯方式不兼容传统舵机，用户需要对结构和控制器进行大量修改。价格较低。CDS5500 的零售不含税单价 240RMB

12、（含税价 290RMB）。最近几年国内机器人开始快速发展，很多高校、中小学在进行机器人技术教学。小型的 机器人、模块化的机器人、组件式机器人是教学机器人的首选。在这些机器人产品中，舵机是最关键、使用最多的部件。舵机接受一个简单的控制指令就可以自动转动到一个比较精确的角度，所以非常适合在关节型机器人产品上使用。仿人型机器人就是舵机运用的最高境界。未来机器人舵机由于计算机，物联网，机械，控制等各个领域的飞速发展。控制器会越来越可靠，精准，舵机的体积也会越来越小。操作，控制会越来越简便，越来越先进。综上所述，目前在机器人舵机方面从事研究的专家和学者比较多，他们提出的有些控制方案也比较成熟，但是针对不

13、同硬件结构和控制精度的要求，其控制的方案也不尽相同，需要针对自身特点提出有针对性的控制方案方案来实现对精确、实用控制的目的。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 2.1主要研究以下方面的内容：1、机器人舵机系统方案设计2、高精度多通道PWM信号生成方法3、机器人舵机的硬件电路设计、制作4、机器人舵机的软件调试5、机器人舵机的硬件搭建与调试2.2拟解决的主要问题：1、控制方案和硬件的选择2、编程语言的选择与实现3、舵机控制器接口设计4、机器人舵机的功能实现三、研究步骤、方法 1、上网查找相关的资料，了解国内外的研究情况。2、在图书馆查找期刊、杂志等资料，设计能实现要求功能的硬件电路，然后对硬件电

14、路进行仿真与调试。3、确定控制算法，编写控制主程序，以及各模块功能的控制程序，并配合所用硬件进行软硬件调试运行。4、系统功能测试及软件程序修改。四、研究工作进度第一周 熟悉题目、查阅文献资料 第二周 调研，资料收集第三周 调研，资料收集第四周 控制方案论证、写开题报告第五周 系统总体分析设计第六周 系统硬件详细设计第七周 系统硬件详细设计与仿真、调试第八周 控制算法设计第九周 系统软件详细设计、上机编程第十周 上机编程、调试第十一周 与硬件系统联机调试第十二周 系统功能测试第十三周 初步验收，测试第十四周 测试，修改第十五周 验收第十六周 编写论文五、 要参考文献1 徐玉韩 基于AVR的舵机控制器设计 2 吴华波 基于单片机AT89LP