一種自平衡人形機(jī)器人動作控制器的設(shè)計和實現(xiàn)-設(shè)計應(yīng)用

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移動式機(jī)器人在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而輪式移動機(jī)器人由于具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為移動式機(jī)器人研究的一個主要方向。自平衡機(jī)器人采用水平布置的兩輪結(jié)構(gòu)，本身是一個不穩(wěn)定體。也就是說，自平衡機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下，不能保持平衡，車體總是要向前或向后傾倒；而在運(yùn)動狀態(tài)下，可以通過一定的控制策略使它達(dá)到動態(tài)平衡。

由于自平衡機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)靈活性，國內(nèi)外機(jī)器人愛好者設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)、外觀各異的自平衡機(jī)器人，嘗試采用各種控制策略使其達(dá)到自平衡控制。通常這類機(jī)器人采用姿態(tài)傳感器檢測機(jī)器人車體的傾倒角度和傾倒角速度，根據(jù)當(dāng)前機(jī)器人姿態(tài)控制伺服電機(jī)驅(qū)動電壓的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，從而使機(jī)器人保持平衡。該方式制作的自平衡機(jī)器人雖然控制性能良好，但成本高，不適合廣泛推廣。為解決機(jī)器人動作控制而設(shè)計的，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個16位超低功耗單片機(jī)（MSP430F149）上去執(zhí)行，實現(xiàn)多層次的控制管理。該人形機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)，多自由度，自平衡的控制需求，需要動作控制器在機(jī)器人系統(tǒng)控制中起到關(guān)鍵性的作用。

1動作控制器的設(shè)計

1.1體系結(jié)構(gòu)

自平衡人形機(jī)器人需要獲取不可預(yù)知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進(jìn)行綜合運(yùn)算并及時進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整。機(jī)器人的這種行為特點(diǎn)決定了機(jī)器人的整體控制結(jié)構(gòu)要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)。

同時，在圖1中可見從機(jī)器人主控制器到執(zhí)行元件（舵機(jī)）之間，有一層動作控制器的結(jié)構(gòu)。這一層結(jié)構(gòu)的任務(wù)是實現(xiàn)控制命令到舵機(jī)控制信號之間的功能轉(zhuǎn)換，這種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就是借鑒計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分層結(jié)構(gòu)體系思想。采用這種分層的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了軟件和硬件、命令和動作的相對隔離。其突出的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對下行設(shè)備只負(fù)責(zé)發(fā)送指令，對于硬件的復(fù)雜的操作時序，由動作控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生。

1.2實現(xiàn)過程

1.2.1硬件實現(xiàn)

為滿足機(jī)器人整體控制體系結(jié)構(gòu)中指令到執(zhí)行的層次性要求，動作控制器需要完成命令解析，信號驅(qū)動等任務(wù)。如圖2描述了動作控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其主要由串行總線、3個可并行工作的16位單片機(jī)、信號驅(qū)動部分構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)能夠從總線接收命令，單片機(jī)進(jìn)行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅(qū)動放大，從而分別實現(xiàn)對執(zhí)行舵機(jī)的控制。圖3為動作控制器中一個單片機(jī)工作模塊的硬件原理圖。

MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K,還可以外擴(kuò)展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。由于為FLASH型，則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和，且JTAG口直接和FET（FLASHEMULATIONTOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運(yùn)行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動控制的設(shè)備。我們相信MSP430單片機(jī)將會在工程技術(shù)應(yīng)用中得以廣泛應(yīng)用，而且，它是通向DSP系列的橋梁，隨著自動控制的高速化和低功耗化。

采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點(diǎn)。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機(jī)程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動作控制器的設(shè)計方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機(jī)也沒出現(xiàn)死機(jī)或跑飛的現(xiàn)象。

MSP430F149輸出為3.3VTTL電平，而舵機(jī)控制信號要5VTTL電平，在實際電路設(shè)計中要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。考慮到舵機(jī)的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點(diǎn)即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。

舵機(jī)動態(tài)工作時，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實驗表明：由于舵機(jī)瞬時供電不足，致使舵機(jī)力矩不夠，運(yùn)動不能達(dá)到預(yù)先的姿態(tài)效果，在反復(fù)探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時大電流，由于舵機(jī)數(shù)量大，設(shè)計時在舵機(jī)電源處并接大容量電容，總?cè)萘?.22F×6.正常小電流工作時，電容被充電處于飽和，當(dāng)需要瞬時大電流時，電容能快速放電，從而保證舵機(jī)正常穩(wěn)定的工作。

3個MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機(jī)，這要求3個MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。

1.2.2軟件實現(xiàn)

脈沖寬度調(diào)制（PWM），是英文"PulseWidthModulation"的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

動作控制器的軟件設(shè)計，是以硬件為基礎(chǔ)，接收主控制器的命令，對命令進(jìn)行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機(jī)進(jìn)行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實現(xiàn)流程。

機(jī)器人的動作方式，方向，幅度等全部是由主控制器通過對外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出，這種輸出是基于命令格式的，而機(jī)器人終的一切行為都是一系列舵機(jī)的配合運(yùn)轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行，這其中就是動作控制器起到了關(guān)鍵作用。

基于上述要求，動作控制器的首要任務(wù)就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機(jī)通信的模式，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議（每個從機(jī)都具有一個獨(dú)立的地址），而是對動作控制器上的3個MSP430F149定義完全相同的地址，這樣就會使其接收到完全相同的命令。這樣進(jìn)行設(shè)計，原因在于要保證舵機(jī)響應(yīng)的同時性，即是機(jī)器人動作的協(xié)調(diào)性提出的要求。如表1示例了主控制器與動作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個數(shù)組序列，動作控制器上的每個MSP430F149都能完全接收到全部序列，而每個MSP430F149根據(jù)預(yù)先定義只使用這個序列中特定的子序列，這個子序列就是對應(yīng)于這個MSP430F149所控制的舵機(jī)的命令，這樣就可以保證同時性。

動作控制器的終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA、TB模塊的寄存器實現(xiàn)的。在解析函數(shù)進(jìn)行一系列的解析運(yùn)算后，產(chǎn)生出各舵機(jī)所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應(yīng)的寄存器中，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。

2實驗及結(jié)論

根據(jù)文中提出的動作控制器的設(shè)計思想與方法，制作出機(jī)器人動作控制器。按照設(shè)計的基本思想對動作控制器進(jìn)行測試，測試中采用一個MSP430F425作為機(jī)器人主控制器，下行控制一個十二個關(guān)節(jié)的簡易人形機(jī)器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機(jī)器人的步態(tài)，同時根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機(jī)動作命令。

實驗中，首先實測舵機(jī)的精度，通過向特定定時器通道預(yù)裝不同值，測量舵機(jī)響應(yīng)角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機(jī)響應(yīng)角度方程。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進(jìn)行了線性擬合。

表2為測試機(jī)器人上一處關(guān)節(jié)的舵機(jī)測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：

舵機(jī)實際角度α=(X-3000)／20+75．5運(yùn)用擬合出的方程進(jìn)行命令到舵機(jī)角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在舵機(jī)的性能范圍內(nèi)（舵機(jī)的精度為0.5°~1°），控制是的。

同時，在舵機(jī)響應(yīng)的及時性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機(jī)響應(yīng)開始運(yùn)動共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時間段。

命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時4.5ms,而命令解析即單片機(jī)內(nèi)程序執(zhí)行，其用時遠(yuǎn)小于1ms.相比較，舵機(jī)的機(jī)械響應(yīng)時間在百ms級，因此動作控制器保證了響應(yīng)的及時性。

實驗證明，在設(shè)計思想指導(dǎo)下的硬件和軟件實現(xiàn)，充分符合既定的目標(biāo)，體現(xiàn)在機(jī)器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動作，預(yù)先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。

在機(jī)器人的實際控制系統(tǒng)中，動作控制器作為主控制器（ARM9）的下級從屬設(shè)備，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作。在這種分層控制的體系結(jié)構(gòu)下，自平衡的檢測與控制達(dá)到了理想的效果。

3結(jié)束語

由于自平衡人形機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，國內(nèi)外機(jī)器人愛好者對其控制策略進(jìn)行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結(jié)構(gòu)的方法。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器（ARM、DSP等）接收收集到的信息，進(jìn)行處理，再根據(jù)