基于DSP的微型机器人运动控制系统的研究.docx
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基于DSP的微型机器人运动控制系统的研究
基于DSP的微型机器人运动控制系统的研究
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究工作开始于20世纪60年代末期。
美国斯坦福研究院在1968年研发成功了世界上第一台智能机器人--Shakey，从而拉开了研究应用人工智能技术的序幕，随着计算机的应用和传感技术的不断发展，移动机器人研究也在发生着日新月异的变化，主要涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等学科。
20世纪90年代以来，移动机器人的研究主要以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真是环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究，并不断取得新的研究成果。
近几年机器人已成为高技术领域内颇具代表性的战略目标。
由于它的出现和发展，以及其在工业、农业、医学和人类生活等领域的应用，使传统的工业生产面貌发生了根本性的变化，对人类社会产生了极深远的影响。
移动机器人要实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪，必须依赖先进的控制策略和可靠、优良的运动控制系统。
同时，先进的控制策略、复杂的算法必须在高性能的处理器中运行才能实现系统的实时控制。
因此，本论文研究的以高性能DSP处理器为核心的运动控制系统目的在于为移动机器人提供一个可靠、稳定的实验平台，并对移动机器人的运动速度控制方法进行研究，使系统可以满足实时、高速、高精度控制的要求。
1.2机器人运动控制系统的研究现状
机器人运动控制系统主要包括机器人的硬件和软件结构，通常也简称为机器人体系结构。
随着对机器人控制和功能的要求不断提高，研究机器人运动控制系统越来越受到重视，其目的主要是为了简化机器人系统的设计和开发。
下面就对机器人运动控制系统的硬件和软件结构的研究现状进行分析。
1.2.1控制器的发展
机器人控制器是机器人运动控制系统的心脏，是机器人控制系统的执行机构，对系统平稳运行起着重要作用。
早期的运动控制器一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路的硬接线方式构成，随着计算机和微控制器的出现，运动控制器发生了质的飞跃——由硬件电路发展到软件控制，运动控制系统也随之进入了全数字化控制的新阶段。
如今的运动控制器多采用如下方式之一构成：
（1）基于微处理器型。
采用单片机等微处理器为核心部件，加上存储器、编码器信号处理电路及D/A转换电路等。
其控制算法由事先编好的程序固化在存储器中。
此方案采用的元件较多，可靠性低，体积较大，且控制参数不易更改，硬件、软件设计工作量较大。
（2）基于微控制器设计的专用集成电路（ASIC）。
该方案用一个芯片即可完成速度曲线规划、PID伺服控制算法、编码器信号的处理等多项功能。
一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID参数等均在芯片内部的RAM区内，可由计算机用指令很方便地进行修改。
但此方案成本比较高，由于受到运算速度的限制，复杂的控制算法和功能仍难以实现。
（3）基于FPGA/CPLD型。
采用可编程逻辑器件为核心的运动控制系统。
人们通过软件编程实现运动控制算法，再将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而实现运动控制系统。
这种系统之需要单片FPGA/CPLA就可以实现主要功能，减少了元件个数，缩小了系统体积。
并且可以对相关器件中的软件进行修改，升级系统。
然而，越复杂的控制算法对可编程逻辑器件的集成度要求越高，芯片价格越昂贵。
因此考虑到系统成本，一般使用可编程逻辑器件实现较为简单的运动控制系统。
（4）基于DSP型。
DSP芯片不同于原来的微处理器,它采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据，内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据运算能力、高的控制精度和集成度。
同时DSP芯片资源非常丰富，可大大简化外围电路设计。
采用高性能DSP伺服控制不仅充分体现了其信号处理能力强、实时性高等特点，而且更适合于移动机器人的小型化、强功能的要求。
近年来，随着芯片技术的高速发展，以DSP或FPGA作为核心处理器的运动控制器已成为发展趋势。
这类控制器充分利用了DSP的高速数据处理功能力、FPGA的超强逻辑处理能力，使得控制器具有高速信号处理能力和高效的通讯能力，并具有高集成度及高可靠性。
在工业市场需求的推动下，大部分DSP运动控制器都是应用于数控机床或工业机器人，即主要应用于控制步进电机，而应用于控制三相电机的DSP控制器普及程度还不够广。
但随着对三相电机控制技术需求的不断增加，这方面的研究己经取得很大的突破，譬如，用于控制三相电机的DSP控制器具有两个闭环控制甚至三个闭环控制（电流环、速度环及位置环控制），真正实现了全数字伺服运动控制系统。
它们能够实现对直流有刷伺服电机、直流无刷伺服电机及交流伺服电机的控制。
1.2.2电机控制方法的发展
运动控制系统的软件主要完成对电机的控制，从而实现对移动机器人运动控制。
在运动控制系统中，对电机的控制可分为两类：
（1）简单控制，是指对电机的启动、停止和正反转进行控制。
（2）复杂控制，在简单控制的基础上，还要求对电机的转速、转角、转矩、电压、电流和功率等进行控制，并且控制精度要求比较高。
在过去，对电机的控制中，简单控制应用的比较多，但随着电子技术和自动化水平的提高，移动机器人的研究发生着日新月异的变化，应用领域的不断扩大，功能要求不断提高，仅仅的简单控制已经满足不了移动机器人功能的需要，因此，复杂控制逐渐成为主要的控制方式。
在复杂控制的一系列功能中，控制电机转速是整个控制软件中最核心的问题。
控制电机转速的方法有三种，经典控制方法、现代控制方法和智能控制方法。
经典控制理论是过去常用的控制理论，这种控制理论只能解决线性定常系统的控制问题。
大多数的工业生产过程属于线性定常系统，一般都采用经典控制法来控制，且控制效果较为显著。
经典控制方法最典型的就是PID控制方法，它是控制理论中技术成熟，在长期的工程实践中形成的一种控制方法。
现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，比经典控制理论所能处理的控制问题广泛的多，主要研究MIMO，时变参数结构，非线性、高精度、高性能控制系统的分析与设计的领域。
它采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。
不仅在航空航天技术、军事技术、通信系统、生产过程等方面得到广泛的应用，而且它的某些概念和方法，还被应用于人口控制、交通管理、生态系统、经济系统等的研究中。
经典控制和现代控制统称为传统控制，都需要建立在被控对象精确的数学模型的基础上才能实现控制，然而，对于未知动态变化的系统要建立精确的数学模型是比较困难的，没有数学模型，传统控制对系统就无能为力了。
随着人们对控制理论的深入研究，一种新型的控制方法诞生了——智能控制方法。
智能控制是控制理论发展的高级阶段，它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。
尤其对于被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、耦合等难以控制的因素，采用其它控制理论难以设计出合适与符合要求的系统时，都有可能期望应用智能化理论获得满意的解决。
智能控制包括模糊逻辑控制、神经网络控制、自适应控制、专家系统、遗传算法等具有自学习、自适应、自组织功能的控制。
智能控制的研究领域，包括智能机器人规划与控制、生产过程的智能监控、自动加工系统的智能控制、智能故障检测与诊断、飞行器的智能控制和医疗过程智能控制等，由于它的出现和发展，不仅使自动化系统品质大大提高，而且促进了自动化工具的研究、开发与生产。
近年来，人们开始关注一种新型控制——智能PID控制，它是由智能控制与传统的PID控制相结合形成的，具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统参数的变化具有较好的鲁棒性。
这种复合型控制既发挥了智能控制灵活而适应性强的优点，又具有传统PID控制精度高和易于实现的特点。
本电机控制系统是一个多变量，强耦合的非线性系统，因此采用模糊PID控制方法进行控制，使电机平稳、可靠的运行。
1.3论文主要研究内容
本课题设计并实现了一个基于DSP的移动机器人运动控制系统，并对运动控制系统的硬件结构、控制软件及控制策略做了深入研究，目的在于开发一种可靠、开放的运动控制系统。
本系统采用TI公司DSP芯片TMS320F2812作为处理器，利用无刷直流电机作为驱动装置，DSP控制器从上位机接收指令，根据算法控制电机转动，完成机器人的不同运动。
论文的具体内容包括以下几个方面：
第一章主要介绍了本课题的研究背景和意义，分析了运动控制系统概况以及本文所做的主要工作。
第二章主要对移动机器人运动控制系统进行一个简要的概述，首先介绍了移动机器人控制系统的总体组成和行驶机构，同时对电机及DSP芯片进行选型，详细介绍了电机的结构、工作原理及控制技术。
第三章主要内容是运动控制系统的硬件电路设计。
建立了基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统，并详细介绍了DSP外围电路、驱动电路、保护电路以及速度、电流信号检测等各组成模块的设计。
第四章讨论了无刷直流电机的速度控制器的设计。
首先分别对传统PID控制和模糊控制的原理进行介绍，然后结合模糊控制和PID控制方法各自的优势，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，应用到本文所设计的控制系统中，最后通过Matlab的Simulink对其进行仿真，并对结果进行对比，验证控制策略的可行性。
第五章是运动控制系统的软件设计。
首先介绍了软件控制的总体结构，然后分别介绍了各模块程序流程，包括PWM脉冲输出、串行通信、AD转换及FLASH引导程序等。
第六章在完成硬件和软件设计的基础上，对系统进行了硬件和软件调试，给出了调试结果，完成系统的初步实验。
最后，对整个论文做了概述性的总结，并对今后研究方形与内容做出展望。
第2章
2.1运动控制系统的组成
本课题的最终目标是设计集成度高、运算速度快、性能可靠的轮式机器人。
其中首要任务是设计能够驱动机器人车轮电机运转的运动控制器，对机器人本体进行精确控制，并且能够实现复杂的控制算法及其他功能，如与上位机的通信、产生PWM脉冲信号等，这就需要运动控制器具有较高的运算处理能力、较高的实时性和可靠性、良好的抗干扰性，同时，控制系统还要满足总重量轻、集成度高、体积小、功耗小的特点。
根据上面的技术指标要求，本机器人运动控制系统采用分布式结构，大体可分为以下几种功能模块：
上位计算机模块、运动控制器模块及电机模块。
上位机主要负责机器人的整体控制，例如上位机与运动控制器之间的通信，发布控制指令；运动控制器时机器人的执行机构，主要实现电机的正常运转，并负责对电机转速的控制；电机则是为机器人提供动力，实现机器人的运动。
运动控制系统的具体框图参见图2.1。
图2.1运动控制系统的总体框图
2.2运动控制系统的行驶机构
移动机器人为了适应野外常见的突变地形、满足各种复杂环境特点的需要，应该具有较强的地形适应性、良好的爬坡和越障能力，这不仅需要运动控制系统具备较强的驱动能力，而且还需要有一个稳定、可靠的行驶机构。
常用的行驶机构有履带式、腿式、轮式和复合式。
履带式结构具有良好的稳定性能、越长性能和较长的寿命，越野性能好，能够越过阶梯、壕沟等障碍，但是，沉重的履带和繁多的驱动轮使机器人整体笨重，需要消耗很大的能量。
腿式结构的特点是灵活性好，具有良好的越野能力和适应能力，但是其效率比较低。
轮式结构具有效率高，运动速度快，并且机器人在行进过程中能够根据地形的变化调整姿态。
复合式结构就是将前面几种结合而得出的新的结构，如轮/腿式、轮/履式、履腿式等具有很强的环境适应能力，既可充分发挥其中的某一种驱动机构的优势，又可以利用多种机构之间的协调控制完成各种不同的任务。
参考以上行驶机构的研究状况和各自的优缺点，结合本文设计的移动机器人需要遵循总重量轻、集成度高、体积小、功耗小的原则，因此该行使机构采用轮式结构。
目前出现的轮式机器人主要有单轮，三轮，四轮，五轮，六轮和八轮这几种。
近年来由于应用领域的扩大和对智能机器人研究的加快，国内外对于轮式机器人的移动载体的研究也越来越多。
按照机器人运动约束方程可以将其分为两类：
完整性约束和非完整性约束的移动机器人。
所谓的完整性约束是指，移动机器人只能在与轮子轴垂直的方向前进或后退，在不打滑的情况下不具有侧向移动的能力。
这种非完整性约束在现实世界中是随处可见的，自行车、汽车、火车的车轮都属于非完整约束的轮子。
然而完整性约束的轮子，不仅可以沿着与轮子轴垂直的方向前进或后退，而且还可以在保持机体姿态不变的前提下沿任意方向移动，即全方位移动。
由于本文研究重点在于机器人电机的控制，对行走方式不做严格要求，因此，选用非完整性约束轮子就可满足设计要求，即四轮非完整性约束的行驶结构，如下图所示。
图2.2机器人车体结构
移动机器人车体为长方形，长度为270mm，宽度为180mm，前轮与后轮轮距为200mm，左右轮距为150mm，车轮直径为50mm，后轮为驱动轮，安装一个电机和一个减速器，前轮为转向轮。
2.3机器人运动控制器
机器人运动控制器是移动机器人的关键部分，它的性能好坏直接影响着机器人的响应速度和移动性能。
本机器人运动控制器是以控制芯片DSP为核心，加上一些外围电路实现的。
控制芯片的性能对控制器的性能起着决定性的作用，使用DSP芯片设计成的运动控制器，在很大程度上缩小了系统的体积，减少了外部元器件的个数，增加了系统的可靠性；并且运动控制系统所实现的各种功能都通过软件编程来实现，使系统升级容易，易于扩展。
因此，基于DSP的运动控制器具有速度快、精度高、体积小、可靠性好等优点，非常适合应用于移动机器人的运动控制。
2.3.1控制器总体结构
本控制器的控制对象是车轮电机，为了满足无超调、抗扰动能力强、实时性和快速响应性好的要求，控制器采用转速环和电流环以实现电机的双闭环控制，系统的总体结构框图如图2.3所示。
其中，外环是转速环，内环为电流环。
转速反馈是通过检测霍尔传感器信息计算得出的电机运行中的实时转速，它可以保证电机运行过程中稳定无误差；电流反馈是通过检测电机的相电流实现的，它能够起到抑制超调的作用，保证车轮电机在运行过程中电流不超过最大允许值。
图2.3系统总体结构框图
为了获得良好的静、动态性能，本控制器在电机速度环控制方面，对传统的PID控制进行了改进，采用了参数自整定模糊PID控制作为转速调节器的控制算法，弥补了传统PID控制的超调量大和无法实现非线性系统的精确控制的不足，这两种方式结合，控制性能明显优于传统的PID控制器，不但能实现精确控制，而且具有较强的适应性，大大改善系统的控制性能。
内环电流调机器采用PI调节控制，其基本原理是：
将转速调节器得到的参考电流与实际检测的电机反馈电流进行比较，它们的偏差值经过PI调解后得到的控制量用于改变PWM的占空比。
下面简单介绍一下整个速度控制系统基本过程，首先，通过霍尔位置传感器信息计算出电机运行中的实时转速，然后将实时电机转速和给定的参考转速经模糊PID调节后，输出电流参考值。
其次，将电流参考值与电机实际电流进行比较，得到的偏差值输入电流调节器进行电流PI调节，调节后的控制量用于改变PWM的占空比。
最后，输出的PWM占空比经过电压逆变后输入电机，实现电机的速度和电流的双闭环控制。
2.3.2DSP芯片的选型及TMS320F2812介绍
在机器人运动控制系统中，控制器的主控芯片是其核心，它接受高层控制级的指令，计算和输出控制信号，监控系统状态，对系统的稳定可靠性起着决定性的作用。
因此，要想设计高性能的控制器，就必须选择合适的控制芯片。
对于本课题研究的机器人平台而言，机器人系统的实时响应速度直接影响机器人精确运动控制的实现，这就要求控制器芯片不仅要有丰富的硬件资源，还要求有较高的信号处理能力和运算精度。
以往的大多数机器人控制器通常采用8位或16位的单片机作为主控芯片，这类芯片采用的是串行指令，处理速度较慢，对于复杂的控制算法则难以实现。
随着电子工艺水平的提高和电机控制领域的需要，各种高性能、低功耗的高档控制器纷纷出现。
常见的有Intel公司的SXCI96MC/MD/MH,TI公司的TMS320C24x、C28x系列，Motorola公司的M68HC08/16，AD公司的ADMCxxx系列。
本控制系统中，我们选用DSP芯片作为控制器的主控芯片。
在选择DSP的时候，首先要考虑的是选用定点DSP还是浮点DSP。
定点型DSP可以实现整数、小数和特定的指数运算，它具有运算速度快、成本低、功耗小等特点；浮点DSP芯片的运算精度要高于定点DSP芯片的运算精度，但是功耗和价格也随之上升；另外，定点DSP具有较多的外围电路接口，如主机端口、异步、同步接口等，更适合控制领域的应用。
从实际需要出发，定点DSP速度快、成本低及功耗小的优点决定了我们选择定点DSP芯片。
由于TI公司的TMS320F2812芯片是目前控制领域中最先进的处理器之一，并且是目前工业界首批32位的专门用于自动化控制领域的数字信号处理器，运行速度快、精度高、片内各种存储器及外设资源丰富，能够实时地处理许多复杂的控制算法，非常适合用于移动机器人的运动控制，因此我们选择TI公司的TMS320F2812作为移动机器人控制器的主控芯片。
下面对TMS320F2812进行具体介绍。
TMS320F2812是美国TI公司推出的基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器，是目前控制领域最先进、功能最强大的处理器之一。
它拥有150MIPS的处理速度，能够实时的处理许多复杂的控制算法，使控制更精确。
同时，芯片上集成了多种先进的外设（如图2.4所示），为电动机及其他控制领域应用的实现提供了良好的平台。
图2.4DSPTMS320F2812功能框图
下面阐述一下TMS320F2812的主要性能：
◆采用高性能静态CMOS（StaticCMOS）技术
●主频达150MHz（时钟周期6.67ns）
●低功耗设计（核心电压1.8V，I/O口电压3.3V）
●Flash编程电压为3.3V
◆支持JTAG边界扫描接口（BoundaryScan）
◆高性能的32位中央处理器（TMS320C28x）
●16位×16位和32位×32位乘法累加操作
●16位×16位的双乘法累加器
●哈佛总线结构（HarvardBusArchitecture）
●快速的中断响应和处理能力
●统一的寻址模式
●高效的代码转换功能（支持C/C++或汇编语言）
●与TMS320F24x/F240x系列数字信号处理器代码兼容
◆片上存储器
●128K×16位的Flash存储器
●1K×16位的OTP型只读存储器
●L0和L1：
两块4K×16位的单周期访问RAM（SARAM）
●H0：
一块8K×16位的单周期访问RAM（SARAM）
●M0和M1：
两块1K×16位的单周期访问RAM（SARAM）
◆引导只读存储器（BootROM）4K×16位
●带有软件启动模式
●标准的数学运算表
◆外部存储器接口（仅F2812有）
●最多1MB的存储空间
●可编程等待周期
●可编程读/写选择时序（StrobeTiming）
●三个独立的片选信号
◆时钟与系统控制
●支持动态的改变锁相环的倍频系数
●片上振荡器
●看门狗定时模块
◆三个外部中断
◆外部中断扩展模块（PIE）支持45个外部中断
◆128位保护密码（SecurityKey/Lock）
●保护Flash/OTP/ROM和L0/L1SARAM中的代码
●防止系统固件被盗取
◆3个32位的CPU定时器
◆电机控制外围设备
●两个事件管理器（EVA、EVB）
●与C240兼容的器件
◆串口通信外设
●串行外围接口（SPI）
●两个UART接口模块（SCI）
●增强的eCAN2.0B接口模块
●多通道缓冲串口（McBSP）
◆12位模数转换模块
●2×8通道复用输入接口
●两个采样保持电路
●单/连续通道转换
●单路转换时间：
60ns
◆高达56个可配置通用目的I/O引脚
2.4机器人驱动系统
2.4.1驱动电机的选型.
机器人执行机构完成各种运动的动力源自于电机，其型号和性能决定了机器人的表现能力和主控系统的工作方式。
目前移动机器人领域应用较多的是步进电机和直流电机，其中直流电机又包括有刷直流电机和无刷直流电机。
2.4.1.1步进电机
步进电机控制简便，能够直接实现数字控制，其工作原理是将数字电脉冲信号转换为角位移或线位移，通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
但它也有一些不足，如启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过载能力。
2.4.1.2有刷直流电机
我们常说的直流电机一般指有刷直流电机，其结构比步进电机复杂，由定子和转子两大部分组成。
其转速和转矩容易控制、效率高，接通直流电即可工作，转速控制采用电压控制方式，两者成正比，转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。
同时，直流电机还具有运行可靠性高、调速性能优良、响应速度快、过载能力强、启动转矩大、体积小、重量轻等优点。
但是由于有换向器和电刷，导致电机可靠性变差，使用寿命短，噪声大，严重影响机器人实际应用。
2.4.1.3无刷直流电机
无刷直流电机的原理与有刷直流电机相同，具有刷直流电机的良好调速性能，响应速度快，启动转矩大，运行平稳，体积小，重量轻等特点。
同时，它还解决了有刷直流电机的使用寿命短，噪声大的问题，通过位置传感器检测磁钢位置后控制相电流的通断实现无接触式换向，避免了换向火花，且不产生无线电干扰，具有寿命长、运行可靠、维护简便、变速不受换向条件限制、高速运行、调速范围宽等优点，非常适合机器人的运动要求。
如果采用PWM控制，只需要通过软件改变PWM波的占空比就可实现电机的调速，大大提高了机器人运动中的灵活性。
综合三种电机的优缺点，同时考虑到作为本控制器芯片的DSP具有PWM输出功能，本课题的驱动电机就选用自带减速器的无刷直流电机，这样只需要将电机的输出轴和驱动轮连接起来即可。
2.4.2驱动电机的结构及工作原理
2.4.2.1直流无刷电机的结构
直流无刷电机主要是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成，其具体组成框图如2.5所示。
图2.5无刷直流电机组成框图
无刷直流电机和传统的直流电机相比较，结构和控制方式有很多相同之处，也是由定子和转子两大部件组成。
其不同之处在于，无刷直流电机用永磁材料制成的转子代替有刷直流电机中的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代安装在直流电机转子上的电枢绕组，用逆变器和转子位置传感器组成的电子换向电路取代传统有刷直流电机中的电刷和换向器。
它的定子绕组一般制成多相，两相，三相，四相，五相不等，但应用最多的还是三相和四相。
各相绕组分别与外部的电力电子开关电路连接。
转子由永磁钢按一定极对数（2p=2,4,…）组成，图2.6中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与外部的电力电子开关电路相连接，图中的A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Vl，V2，V3相接。
电子开关线路也称逆变器，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元组成，用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间。
位置传感器是用来检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为控制逻辑开关单元的各相绕组的导通
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