基于dsp的微型机器人运动控制系统的研究

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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