《机器人运动控制系统软件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人运动控制系统软件设计.docx（10页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、机器人运动控制系统软件设计蔡明学导语：本文主要完成对主控板控制器软件设计、电机驱动控制器软件设计和超声波测距软件的设计，使开发系统可以效劳于挪动机器人研究的通用开发平台。摘要：挪动机器人的运动控制主要是完成挪动机器人的运动平台，提供一种挪动机器人的控制方式。本文通过对挪动机器人的研究，实现了基于渡越时间法的超声波测距模块设计，为机器人提供简单方便的障碍物间隔检测。本文主要完成对主控板控制器软件设计、电机驱动控制器软件设计和超声波测距软件的设计，使开发系统可以效劳于挪动机器人研究的通用开发平台。关键词：机器人；运动控制；软件设计；超声波测距中途分类号：TP9文献标识码：B0引言随着计算机、网络、
2、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速开展，挪动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。同时，太空资源、海洋资源的开发与利用为挪动机器人的开展提供了广阔的空间。目前，智能挪动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深化，对挪动机器人的自主导航才能，动态避障策略，避障时间等方面提出了更高的要求。地面智能机器人途径规划，是行驶在复杂，动态自然环境中的全自主机器人系统的重要环节，而地面智能机器人全地域全自主技术的研究，是当今国内外学术界面临的挑战性问题。智能挪动机器人是一类可以通过传感器感悟环境和自身状态，实如今有障碍物的环境中面向目的自主运动，进而完成一定功能的机器人系统。挪动
3、机器人技术研究综合了途径规划、导航定位、途径跟踪与运动控制等技术。涉及到包括间隔探测、视频收集、温湿度以及声光等多种外部传感器，作为挪动机器人的输入信息。挪动机器人的运动控制主要是完成挪动机器人的运动平台，提供一种挪动机器人的控制方式。性能良好的挪动机器人运动控制系统是挪动机器人运行的根底，可以效劳于挪动机器人研究的通用开发平台。挪动机器人技术研究综合了多学科领域的知识，关键技术可分为：途径规划、导航定位、途径跟踪与运动控制技术。途径规划又可分为全局和部分途径规划。全局途径规划是根据挪动机器人总体任务进展途径规划，将总体途径任务分解，并建立全局地形数据库；部分途径规划是根据全局规划分解的子任务
4、，结合挪动机器人当前状态信息，实时规划可行途径；导航定位技术确定挪动机器人在全局地图中的位置，并实时得到机器人与途径跟踪的相对位置关系，其关键技术是多传感器信息处理与数据交融技术。途径跟踪与运动控制技术的任务是控制挪动机器人跟踪部分规划给出的途径，结合导航定位系统得到机器人本身状态信息与道路信息，完成航向和速度控制。挪动机器人的途径规划、导航控制以及途径跟踪与运动控制技术是互相关联的，任何一个系统的不完善都会导致整体性能的下降。1主控板软件设计主控板硬件完成模块治理、设备通讯及机器人定位脉冲检测等内容。在实际应用中，主控板硬件还负责超声波测距的软件治理。主控板硬件中只有主控板控制器需要进展软件
5、设计。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任务是超声波测距的软件设计治理和其他一些根本设置内容，包括电机码盘的正交编码脉冲检测。初始选定TMS320LF2407A作为主控板控制器是考虑到此控制系统可以作为以后机器人应用的平台，可以在TMS320LF2407A里嵌入实时系统，提升系统性能，方便接口开发。主控板控制器的软件设计内容包括模块初始化、串口通讯、正交编码脉冲检测和超声波测距软件。这里介绍模块初始化串口通讯和正交编码脉冲检测等内容。图1主控板控制器程序流程图。图1主控板控制器程序流程图复位向量地址为程序入口，然后程序进展初始化。初始化内容包括扩展方式、溢出方式、DARAM、倍频、J
6、TAG等根本配置。另外还有使用的相关IO的设置、程序使用相关定时器的设置、程序使用相关中断的设置和串口通讯的相关设置。这些配置都是控制器使用的根本配置流程。初始化之后会开启相关的中断程序，随后进入超声波测距程序，并一直循环。中断效劳程序处于停当状态，一旦有中断发生，中断效劳程序立即执行。在TMS320LF2407A的所有程序中，需要对其串口的数据发送和接收程序做讲明。异步通讯使用三条线(地线、发送线、接收线)连接采用RS232格式的终端。发送各位依次为一个起始位、l8个数据位、可选的一个奇偶校验位、12个停顿位。因此串口通讯可以传输的最大的数据单位为8位，即一个字节。在设计中控制器和各终端会有
7、各种类型的数据沟通，如整形数据和浮点数据，因此需要对串口发送和接收的数据进展数据转换。四个字节的单精度浮点数的数据传输，由于串口每次最多只能传输一个字节，所以只需要把每个四字节浮点数的存储数据转换成字节形式发送即可，设计中采用强迫转换的方式完成。数据接收的时候也可以采取同样的处理方式，反向转换即可。另外在数据转换上也可选择共用体来实现，共用体的本质和上面讲述的类型转换是一样的，只是共用体的各个数据类型占用的存储空间是共同的，对于这个存储空间，共用体定义的任何构造类型变量都可以调用。上位机里的串口数据处理采用的是这种方法，特别方便。对于正交编码脉冲的检测，TMS320LF2407A具有独立的正交
8、编码脉冲单元，只要对单元存放器进展简单设置即可得到机器人驱动轮的运行方向和间隔参数。TMS320LF2407A将这些数据通过串口发送到上位机，由上位机建模，对数据加以处理后得到机器人的位姿信息。2电机驱动软件设计电机驱动软件完成电机的驱动控制和闭环调速。驱动控制使用的是电机驱动主控芯片STCl2C4052AD的片内PWM外设单元，生成的PWM信号经过电机驱动芯片驱动电机，可以通过调节PWM占空比来调节加载在电机上24VDC电压的占空比，进而调节电机转速。PWM占空比由片内8位的PWM控制存放器进展控制，该存放器取值范围为0-255，分别代表PWM信号占空比从l到0的连续变化。同时STCl2C4
9、052AD接收电机光电码盘的脉冲信号，利用片内时钟计算出电机运行速度，通过速度控制算法完成电机的闭环调速。电机驱动及闭环调速软件算法流程图如图2所示。图2电机驱动控制器程序流程图如上图所示，程序开场后进展初始化，初始化包括程序使用相关变量定义、10ms定时器0、定时器l及串口、脉冲计数用外中断0、看门狗等存放器的设置和电机状态参数(刹车、速度)等的初始化。然后进入循环状态，循环经过中更新看门狗存放器的相关标志位。速度检测和闭环调速程序分别在外中断0和定时器0中完成。中断效劳程序也就包含了外中断0、定时器0以及串口中断效劳程序。外中断0是电机光电码盘的脉冲检测外设，所有电机光电码盘的脉冲都会引起
10、外中断0的中断。码盘脉冲测速的原理是计算STCl2C4052AD单位定时时间内的脉冲数目，因此外中断0的中断效劳程序的内容就是对脉冲计数。而上位机设定的目的电机转速也会被转换为此单位定时时间内的脉冲数目。可以定义一个全局变量，每次进入外中断0的中断将该变量加1即可。另外为防止程序干扰，应该对计数值加以修正，如小于0的时候即是0，大于某一设定值的时候即是某一设定值等。3超声波测距软件设计设计中的超声波测距软件利用了常用超声波测距的渡越时间法。渡越时间法的工作原理为发射超声波的同时开场计时，接收到超声波后停顿计时，记录超声波的传输时间为t，那么超声波测距模块和障碍物的间隔为s由下式表示。S=v*t
11、/2其中v为超声波在空气中的传播速度。由下式表示。其中，T为空气的华氏温度。在常温下，超声波的传输速度随温度变化并不太大，而且超声波的传输时间都为毫秒级，因此影响不是很大。不过也可以为超声波测距模块添加一个温度校正模块，检测环境温度，再在主控板控制器计算超声波速度时进展修正。如今市场已有集成温度检测器件，也很方便。超声波测距的主要流程为发射超声波以后，假如有反射超声波信号返回，那么由外中断0接收计算间隔。在超声波信号发射的同时翻开定时器3，定时时间为最大超声波测量间隔所需的传输时间，假如在定时器3中断的时候还没有外中断0中断事件发生，即没有反射超声波信号返回，那么在进入定时器3中断的时候关闭超
12、声波返回中断和超声波传输时间定时器l，进展下一次的超声波测距循环。程序流程图如图3所示。图3超声波测距程序流程图外中断0接收到超声波测距信号返回，那么进入外中断0效劳程序进展测距程序处理。假设没有超声波信号返回那么将发生定时器3的定时中断，讲明等待超时，设定测距范围内无障碍物。两种情况都将引发等待标志位的改变，程序跳出等待状态，更改工作超声波测距模块，进展下一个超声波模块的测距处理。外中断0和定时器0的程序流程图如图4所示。图4外中断0和定时器3程序流程图图中A为外中断0程序流程图。进入中断效劳程序表示有超声波信号返回。程序开场关闭所有系统的可屏蔽中断和测距使用外设，读取定时器l计数值，计算障
13、碍物间隔。更改程序循环标志，然后中断效劳程序返回。B为定时器3的程序流程图。进入中断效劳程序表示测距范围内无障碍物，因此只用关闭系统的可屏蔽中断和测距使用外设，直接更改程序循环标志，退出中断效劳程序即可。设置定时器1不产生中断，而设置定时器1为定时最大值也不会发生定时器l中断。因此不必写定时器1的中断效劳程序。4结论本主控板控制器协调上位机和各模块的工作，软件设计中具体讲述串口传输中的数据类型处理问题。利用单片机PWM外设生成脉冲宽度调制信号驱动电机，并通过光电码盘实现电机的闭环调速。超声波测距模块已经有广泛的应用，超声波测距模块软件程序采用通用的渡越时间法完成间隔的测量，并通过模拟开关实现多超声波测距模块的分时工作。