基于DSP的巡逻保安机器人的运动控制系统

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1、万方数据第34卷第7期2006年7月华南理工大学学报(自然科学版)JoumalofSoumChinaUniVersi哆ofTechnology(NaturalScienceEdition)V01．34No．7July200

2、6文章编号：1000．565x(2006)07-0026—05基于DSP的巡逻保安机器人的运动控制系统术张铁谢存禧龚树强(华南理工大学机械工程学院，广东广州510640)摘要：针对公共场所对移动性巡逻保安的特殊要求，研制了一种巡逻保安机器人．该机器人利用双直流减速伺服电机进行驱动，其

3、运动控制系统采用分级控制方式，包含主控级、协调级、执行级和遥控级．文中主要对巡逻保安机器人的DSP控制系统、协调级和执行级中的参数检测方法及电机驱动电路进行了研究，并探讨了三环控制的算法及程序．最后通过运行实验证实，所开发的控制系统完全能够满足巡逻保安机器人伺服控制的要求．关键词：巡逻保安机器人；运动控制；DsP控制；伺服控制中图分类号：TP242，3文献标识码：A近年来，我国超级商场、大型物流仓库、会展中心、医院、车站和机场等大型场所的规模和数量不断增加，大中城市的高层高档商用楼也日益增多，人流、物流

4、更为繁杂．仅仅依赖人力巡逻或CCD定位监控已不能满足这些大型场所的保安要求，采用巡逻保安机器人实行定时、定点监控巡逻及不问断流动巡逻是目前最佳的解决方案之一．有鉴于此，笔者所在课题组研制了一种用于巡逻保安的机器人，该机器人采用双直流减速伺服电机进行驱动，并利用DsP(数字信号处理器)作为运动控制主系统．本文主要探讨该机器人的运动控制系统．目前的许多工业机器人都是基于所设计的机器人的具体结构，采用专用计算机系统进行开发和设计，因此其结构大多是不开放的¨五J．随着机器人研究与应用的日益深入，对机器人控制器的

5、性能要求不断提高．特别是20世纪90年代后，随着DsP技术的日趋成熟，以DsP为核心的多轴运动控制技术开始被应用于机器人的控制，并显示出强大的优势．DSP的数字处理和运算速度极快，且易于构成并行处理网络，支持复杂的运动控制算法，集成化程度高，兼容性强，因此特别适合机器人的复杂运动控’收稿日期：2005一10-27t基金项目：华南理工大学高水平大学建设项目(305-B26)作者简介：张铁(1968-)，男，副教授，博士，主要从事机器人技术及应用研究．E—mil：merobot@scm．edu．cn制．近年

6、来，国外许多机器人制造公司都致力于用DsP开发机器人控制器，其中具代表性的是美国的DETAL公司开发的PMAc运动控制卡旧J．该卡将多轴运动控制集成在一块PC扩展卡上，可同时实现1～8轴的伺服控制，满足高速、高精度的要求，但其价格比较昂贵．国内各科研机构也在致力于开发低成本的DsP运动控制器，并将这项技术应用于机器人领域H西J．但是，这些控制电路板一般需要安装在计算机上进行运算，而笔者的研究对象是一种移动机器人，因此不适合采用市场上现有的控制卡．有鉴于此，本研究中采用TMS320LF2407作为机器人运

7、动控制的主控芯片，以cPLD作为机器人控制系统的外围控制电路，来研制巡逻保安机器人的运动控制系统．1巡逻保安机器人的底盘结构巡逻保安机器人底盘的四轮驱动结构如图1所示．机器人的两个前轮是万向轮，用螺钉直接连接到底板上，它们作为随动轮，只起到支承车体的作用，无导向功能．两个后轮是驱动轮，用两台直流减速伺服电机驱动，通过调节两个后轮的运动来实现机器人的运动控制．图2所示为巡逻保安机器人底盘驱动轮的结构．法兰连接在电机架上，这样后轮、轴、轴承、轴承座、电机和电机架便组成了一个后轮模块，该模块通万方数据万方数据

8、华南理工大学学报(自然科学版)第34卷QEP模块，但是这些计数器在系统中断中要使用一个，另外在电机PWM输出中也用去一个，所以这些计数器能做为QEP模块使用的机会并不大．为了将来进一步完善系统时能有一定的灵活性和可扩展性，研究中使用Xilinx公司生产的XC95108可编程逻辑器件旧。10JCPLD结合DSP的外部I／O总线来实现扩展的外部QEP模块．QEP模块内部主要包括3个功能模块：可预置值双向计数器(adder_16)、结果锁存器(reg一16)和输入脉冲方向辨别及四倍频模块(QEP_interf

9、ace)，其中主要的难点在于输入脉冲方向辨别及四倍频模块．QEP_interface包含两部分——四倍频电路和方向辨别电路．在一个模块里同时集成两个功能，是因为这两部分功能是相互依存的，缺一不可．为了避免因源信号发生高频小幅度振荡而引起的CPLD中方向辨别信号一直不改变这一情况的发生，在QEP—interface中集成了方向辨别输出的功能，即在四倍频的每个输出的上升阶段沿更新方向输出，从而保证了位置和速度控制的可靠性．2．3．2电流检测要实