基于DSP在仿生機(jī)器蟹多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

仿生機(jī)器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運(yùn)算速度，以便在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度較高的情況下，通過提高響應(yīng)速度來確保機(jī)器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機(jī)器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個(gè)電機(jī)（如圖１所示），使其質(zhì)量較大，同時(shí)由于體積的限制使得各步行足相互間距較小，因此將造成機(jī)器蟹在行走過程中耦合較強(qiáng)，控制模型受軀體位姿、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)靈活，具有調(diào)整步行足軌跡和步態(tài)的能力，并能適應(yīng)控制模型的變化。因此必須研制一種具有強(qiáng)大運(yùn)算處理能力、軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化的機(jī)器蟹控制系統(tǒng)。

從作業(yè)任務(wù)來看，兩棲仿生機(jī)器蟹的主要設(shè)計(jì)目的是用于未來的兩棲軍事偵察，因此要求其具有自主性、智能化的特點(diǎn)，并應(yīng)從實(shí)用性角度出發(fā)來設(shè)計(jì)嵌入式的控制構(gòu)架?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為： （１）對各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)施快速準(zhǔn)確的位置控制；（２）協(xié)調(diào)步行足各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)以及各步行足的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)軌跡；（３）實(shí)時(shí)地采集、處理傳感器的數(shù)據(jù)，以便在控制系統(tǒng)的信號綜合中使用； （４）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)方程的求解以及控制指令的快速傳輸；（５）具有良好的控制結(jié)構(gòu)和接口，便于高層控制軟件的開發(fā)；（６）有一定的預(yù)留接口、良好的兼容性和擴(kuò)展性，以便進(jìn)行功能擴(kuò)展和二次開發(fā)與研究；（７）具有模塊化結(jié)構(gòu)，以便調(diào)整步行足的數(shù)量，適用于不同步態(tài)形式的控制。

１ 多層多目標(biāo)分布式控制概念及控制框架
仿生機(jī)器蟹是一個(gè)復(fù)雜的控制對象，從體系上講，其每條步行足都是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂機(jī)器人。要實(shí)現(xiàn)有效的控制，除要對每條步行足的三個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的控制外，多條步行足之間還要相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。同時(shí)應(yīng)考慮到各條步行足運(yùn)動(dòng)空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強(qiáng)耦合。
常用的控制方法有分散控制、分布式控制和遞階控制三種形式。由于遞階控制系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)清晰、層次分明的特點(diǎn)，而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結(jié)構(gòu)且可擴(kuò)展性好，因此機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用遞階控制和分布式控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于其控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以將整個(gè)控制體系分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)分解、軀體路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、步行足軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)／動(dòng)力學(xué)計(jì)算、電機(jī)伺服控制等多層結(jié)構(gòu)，而且每層之間要通過上層進(jìn)行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，例如各個(gè)步行足之間的運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)，需要步行足控制層通過步行運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)層交換信息。每條步行足的指關(guān)節(jié)之間的控制也是如此。因此，機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標(biāo)分布式遞階控制系統(tǒng)，如圖２所示。
第一層稱為“動(dòng)機(jī)層”，它使得機(jī)器人本體能夠做到完全的自主。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內(nèi)部的響應(yīng)翻譯成對機(jī)器人本體的高級命令。第二層是“軀體路徑層”，它接收“動(dòng)機(jī)層”給出的高級命令，將其轉(zhuǎn)化為一系列的本體內(nèi)部的描述量及認(rèn)知圖，進(jìn)而給出機(jī)器人自身軀體的運(yùn)動(dòng)路徑。第三層稱為“步行足軌跡層”，它針對軀體的運(yùn)動(dòng)路徑給出各個(gè)足的具體的運(yùn)動(dòng)，包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成。第四層是“動(dòng)力實(shí)現(xiàn)層”，它通過驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)由“步行足軌跡層”給出的足的運(yùn)動(dòng)，并對由于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)不確定性和干擾造成的誤差進(jìn)行校正。各層之間，上層向下層輸出控制量，由下層來具體實(shí)施。每執(zhí)行一步，下層將狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地反饋給上層。

２ 單步行足控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
按照上述設(shè)計(jì)方案，采用自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的開發(fā)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性，同時(shí)也符合模塊化設(shè)計(jì)思想：在總體確定后，進(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì)，并通過設(shè)計(jì)模塊間的接口來組合成完整的系統(tǒng)。首先使用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７開發(fā)步行足伺服控制器模塊，這是為了配合機(jī)器蟹樣機(jī)本體的研制開發(fā)而同步進(jìn)行的，這樣有利于控制系統(tǒng)與被控對象間的兼容。步行足伺服模塊包括ＤＳＰ的最小系統(tǒng)、ＲＳ２３２通訊接口、ＤＰＲＡＭ接口、ＰＷＭ輸出、電機(jī)碼盤ＱＥＰ信號檢測、碼盤計(jì)數(shù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位、力信號檢測等部分，如圖３所示。伺服控制模塊的各外設(shè)接口功能如下：（１）ＲＳ２３２通訊接口：實(shí)現(xiàn)ＰＣ機(jī)與ＬＦ２４０７的上下層通訊，以便在單步行足控制實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行控制和狀態(tài)觀察；（２）ＤＰＲＡＭ接口：用于實(shí)際機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的多控制模塊級聯(lián)通訊和伺服模塊與ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０系統(tǒng)的通訊；（３）ＰＷＭ輸出接口：利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的片內(nèi)外設(shè)生成數(shù)字ＰＷＭ信號，作為電機(jī)控制信號；（４）碼盤計(jì)數(shù)接口：用于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測中的正交編碼信號（ＱＥＰ）檢測、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判斷，與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角定位信號結(jié)合使用，來檢測關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；（５）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位接口：采集用于關(guān)節(jié)初始定位的霍爾傳感器信號； （６）力信號接口：處理和檢測足端ＦＳＲ傳感器的接觸力信號。 圖4 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖
２．１ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的功能介紹
ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列ＤＳＰ芯片是ＴＩ公司于１９９７年推出的低價(jià)高性能的１６位定點(diǎn)ＤＳＰ，是專為數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)和其它控制應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的ＤＳＰ。ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列ＤＳＰ不但具有高性能的ＣＰＵ內(nèi)核，而且還具有單片電機(jī)控制的外設(shè)功能。它將數(shù)字信號處理器的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的強(qiáng)大控制能力結(jié)合在一起，從而成為傳統(tǒng)的多微處理器單元ＭＣＵ和多片設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理想替代品。經(jīng)過對ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ系列芯片功能的比較，選用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７作為開發(fā)機(jī)器蟹步行足控制系統(tǒng)的ＣＰＵ。該芯片除具備通用ＤＳＰ的高速高性能外，片內(nèi)還配置了大量的外圍接口，專用于電機(jī)控制開發(fā)。

２．２ 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)
在計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)過程中采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，利用ＭＡＸ＋ｐｌｕｓ ＩＩ軟件提供的可調(diào)參數(shù)化元件庫（ＬＰＭ—Ｌｉｂｒａｒｙ ｏｆＰａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄＭｏｄｕｌｅｓ），選取可調(diào)參數(shù)化計(jì)數(shù)器元件ＬＰＭ－ｃｏｕｎｔｅｒ來設(shè)計(jì)１６位計(jì)數(shù)器。在該計(jì)數(shù)器模塊上共有９個(gè)并行的計(jì)數(shù)通道，每個(gè)通道都包括一個(gè)１６位可預(yù)置初始值的雙向可逆計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)脈沖采用上升沿觸發(fā)，并具有同步裝載初值和異步清零的功能。計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖如圖４所示。在該模塊中，還包括電機(jī)ＱＥＰ信號組的４倍頻處理和方向判斷功能電路，并且具有與ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７接口的邏輯電路。

２．３ 步行足足端力信號檢測電路
為了實(shí)時(shí)獲得軀體相對于大地坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)信息，步行機(jī)器人必須通過大量的外部傳感器獲得諸如傾角、離地高度等信息。在機(jī)器蟹的步行足端部安裝了力傳感器，利用它檢測足端與物體（或地面）的接觸力大小，來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面。通過設(shè)置碰撞力信號的閾值來判斷步行足是可以克服阻力按規(guī)劃路徑繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，還是改變運(yùn)動(dòng)方式避開障礙，或從擺動(dòng)相轉(zhuǎn)入支撐相。ＦＳＲ（Ｆｏｒｃｅ ＳｅｎｓｉｎｇＲｅｓｉｓｔｏｒｓ）是一種聚合體薄膜裝置，其電阻值大小與其活性表面所受正壓力大小成正比，這種力傳感器對力的敏感程度非常高。機(jī)器蟹足端ＦＳＲ檢測電路如圖５所示。無作用力時(shí)，ＦＳＲ阻值Ｒｓ約為５０ＭΩ，

晶體管導(dǎo)通，Ｖｏｕｔ輸出為低電平，接近于０Ｖ；當(dāng)表面受力時(shí)，阻值Ｒｓ隨力的增加而減小，當(dāng)Ｒｓ值滿足晶體管可靠截止條件時(shí)，Ｖｏｕｔ輸出高電平。要使晶體管截止?必須滿足以下條件： (Vcc%26;#183;Rs)/(R1+Rs)＜Ｖｂｅ，即Ｒｓ＜(Vbe%26;#183;R1)/(Vcc-Vbe)
３ 單步行足控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
在本文設(shè)計(jì)的機(jī)器蟹控制器中，采用分時(shí)集中方式和多ＣＰＵ的結(jié)構(gòu)。步行足控制器采用分時(shí)集中方式，由一個(gè)ＣＰＵ對３條步行足的９個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，ＣＰＵ可對各關(guān)節(jié)的反饋控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，完全由軟件確立各關(guān)節(jié)之間的耦合關(guān)系。而整個(gè)機(jī)器蟹的全局控制器結(jié)構(gòu)為多ＣＰＵ結(jié)構(gòu)，由３個(gè)步行足控制器（即３個(gè)ＣＰＵ控制單元）并聯(lián)成伺服控制層，并由一個(gè)中央控制ＣＰＵ協(xié)調(diào)控制。機(jī)器蟹步行足控制系統(tǒng)的單關(guān)節(jié)控制過程如圖６所示。由ＰＣ機(jī)（上位機(jī)）將每一個(gè)動(dòng)作任務(wù)分解為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，并每隔一個(gè)插補(bǔ)時(shí)間Ｔ１執(zhí)行一次上下位機(jī)指令，將下一個(gè)Ｔ１時(shí)間內(nèi)各指關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令值發(fā)送給ＤＳＰ控制器（下位機(jī)）。ＤＳＰ控制器將插補(bǔ)時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)角按可控精度進(jìn)行周期為Ｔ２的插補(bǔ)細(xì)分，細(xì)分后所得任務(wù)為各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)控制中斷程序的實(shí)際目標(biāo)指令，并在插補(bǔ)周期時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)角位置伺服控制，從而完成步行足的運(yùn)動(dòng)控制。除此之外，控制系統(tǒng)軟件還包括步行足軌跡規(guī)劃運(yùn)算、系統(tǒng)自檢和初始化、故障判斷、程序終止、力／位置信號采集處理等功能模塊。
本文以仿生機(jī)器蟹為設(shè)計(jì)對象，提出了基于ＤＳＰ的機(jī)器蟹多層多目標(biāo)遞階控制系統(tǒng)方案，并對單步行足的軟、硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的闡述，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主式的仿生步行機(jī)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。