基于京微雅格CME-M7的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　三、CME-M7硬件設(shè)計(jì)方案總成

　　機(jī)器人總體構(gòu)成

　　如圖1所示，以CME-M7微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進(jìn)行處理，控制機(jī)器人的運(yùn)行。

　　圖1 機(jī)器人總體構(gòu)成

　　人型機(jī)器人的整體規(guī)劃

　　人形機(jī)器人是一種智能化機(jī)器人，在機(jī)器的各活動(dòng)關(guān)節(jié)配置有多達(dá)16個(gè)服務(wù)器，具有16個(gè)自由度，特顯靈活，更能完成諸如手臂后擺90度的高難度動(dòng)作。它還配一套設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制系統(tǒng)，通過自身智能編程軟件便能自動(dòng)地完成整套動(dòng)作。

　　系統(tǒng)電源供電部分

　　由于機(jī)器人電機(jī)，傳感器及系統(tǒng)采用+5V供電，CPU采用core 1V & I/O 3.3V供電,電源部分均考須慮電機(jī)功率和整體質(zhì)量及摩擦阻力問題，電源我們采用鋰電池組串聯(lián)與同步降壓處理，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)速部分

　　機(jī)器人需控制在一個(gè)合適的速度運(yùn)行，速度快，因MCU對(duì)各傳感器傳來的信號(hào)有一個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，小車極易偏離軌道,此時(shí)需要搭配FPGA電路來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算處理后再提供給MCU。伺服的速度是由直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,經(jīng)由級(jí)聯(lián)減速齒輪進(jìn)行降速后得到旋轉(zhuǎn)與更大扭力，改變伺服齒輪的控制角度通常采用調(diào)脈寬、調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡(jiǎn)單，但需要模擬輸出, 調(diào)脈寬方式需要FPGA邏輯搭成PWM控制模塊,在CME-M7容易實(shí)現(xiàn)。

　　可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào)，F(xiàn)PGA容易生成穩(wěn)定且快速的脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換產(chǎn)生50Hz(周期是20ms)的信號(hào)，但須注意運(yùn)放器件的選擇有較高要求。

　　若只用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元，使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，此時(shí)會(huì)因?yàn)閱纹瑱C(jī)的指令周期不同與程序運(yùn)行間隔不同而有不準(zhǔn)確性,故采用CME-M7 FPGA PWM來直接控制,是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠,再由MCU下達(dá)參數(shù)給FPGA進(jìn)行伺服的角度設(shè)置。

　　圖示：舵機(jī)的控制要求

　　舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。

　　當(dāng)控制信號(hào)由輸入纜線進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)電路。當(dāng)電機(jī)位置與定位器不一致時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的正反轉(zhuǎn)電路輸出正反轉(zhuǎn)訊號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　舵機(jī)內(nèi)安裝了一個(gè)電位器(或其它角度傳感器)檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。

　　舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。

　　簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出;電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度;電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

　　舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理可以用下圖表示：

　　工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出;電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度;電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。

　　舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90度到+90度的位置。如下圖所示：

　　利用CME-M7高性能硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡,三軸傳感器獲得的姿態(tài)資料經(jīng)過的FPGA與DSP直接運(yùn)算后,傳遞給PWM生成控制訊號(hào),達(dá)成即時(shí)控制要求。