專利名稱：兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種智能機(jī)器人的控制裝置，本發(fā)明也涉及一種智能機(jī)器人 的控制方法。具體地說是一種兩棲機(jī)械螃蟹類多足機(jī)器人的控制裝置及控制方 法。(二) 背景技術(shù)兩棲機(jī)械螃蟹簡介機(jī)器人外形和功能以河蟹為生物原型，共有八只步行足， 每只步行足有三個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)；由二十四臺伺服電機(jī)驅(qū)動，形成二十四個(gè)自由度。 控制器采用DSP進(jìn)行控制，整體被橡膠外套密封，模擬螃蟹多種行走步態(tài)，能 在兩棲環(huán)境下實(shí)現(xiàn)靈活的前行、側(cè)行、左右轉(zhuǎn)彎、后退等十四個(gè)動作。每只步行 足都配有力傳感器，來感知外部環(huán)境，檢測足尖落地和步行足是否碰到障礙物等 信息，為步行足的路徑規(guī)劃提供信息。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架采用嵌入式結(jié)構(gòu)，以ARM 系統(tǒng)、DSP芯片作為的核心控制器，完成復(fù)雜運(yùn)動的規(guī)劃和協(xié)調(diào)任務(wù)的運(yùn)算。該 系統(tǒng)采用紅外線遙感、力覺傳感器、視覺等傳感器，運(yùn)用多傳感器信息融合技術(shù)， 實(shí)時(shí)辨別外界環(huán)境，使具有較高的智能性。能夠?qū)崿F(xiàn)在沙灘、平地、草地、沼澤 地、水下等環(huán)境前進(jìn)、后退、左右側(cè)行及任意位置、任意角度、任意方向轉(zhuǎn)彎等。兩棲仿生機(jī)器蟹在復(fù)雜的兩棲環(huán)境下行走，對控制系統(tǒng)有著較高的要求，為 了使機(jī)器蟹能夠完成一定的作業(yè)任務(wù)，首先要針對其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動特點(diǎn)，分析 機(jī)器人對控制系統(tǒng)的功能要求，建立硬件控制平臺和規(guī)劃軟件結(jié)構(gòu)。機(jī)器蟹是一 個(gè)復(fù)雜的被控體系，其每條步行足都是一個(gè)多自由度的串聯(lián)臂，要實(shí)現(xiàn)有效的控 制，除對每條步行足的三個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)準(zhǔn)確高效的控制外，多條步行足之間還要相 互協(xié)調(diào)，產(chǎn)生所需要的步態(tài)，共同完成某一確定工作，因而機(jī)器蟹在運(yùn)動過程中 所要處理的信息是極其復(fù)雜的，且要求是并行、分工明確的。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活的、全方位的行走，對其控制系統(tǒng)主要有以下要求(1)多自由度協(xié)調(diào)控制。機(jī)器人總共有24個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)，無論是全方位的行走， 還是多功能的實(shí)現(xiàn)，都是通過驅(qū)動關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，因此必須對這些 關(guān)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，評價(jià)指標(biāo)為各關(guān)節(jié)間位置、速度、加速度的協(xié)調(diào)精度。(2) 反應(yīng)及時(shí)，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有綜合決策能力。機(jī)器人在運(yùn)動的過程中，路 面的狀況和周圍環(huán)境的情況都是隨機(jī)的，針對這些意外事件，機(jī)器人必須能夠及 時(shí)反應(yīng)，并作出合理的決策，否則將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，評價(jià)指標(biāo)為控制器的運(yùn)算 速度，模塊間的通信帶寬。(3) 智能化，有較強(qiáng)的自治能力，盡量減少人的干預(yù)。與傳統(tǒng)的自動機(jī)械以 自身的動作為重點(diǎn)相比，仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)則更著重機(jī)器人本體與周圍環(huán) 境、操作對象的相互關(guān)系。(4) 易擴(kuò)展，有增加控制點(diǎn)的能力。隨著研究的深入，機(jī)器人可能需要增加 一些能力，如對周圍環(huán)境和自身狀況的探測的智能模塊，機(jī)器人不同路況的步態(tài) 規(guī)劃模塊等，評價(jià)指標(biāo)為控制系統(tǒng)的軟硬件接口的冗余度(5) 提供友好的人機(jī)界面。界面是人與控制系統(tǒng)打交道的接口，通過它，一 方面操作人員可以把自己的意圖詳盡地傳達(dá)給控制系統(tǒng)，另一方面還可以知道機(jī) 器人當(dāng)前的狀況，評價(jià)指標(biāo)為實(shí)時(shí)性、信息量。目前的機(jī)器人控制系統(tǒng)通常有兩種基本的結(jié)構(gòu)形式集中結(jié)構(gòu)和分布式結(jié) 構(gòu)。前者的優(yōu)點(diǎn)是控制直接、有效性高、便于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)是若控制中 心有故障，則整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，可靠性不高.后者是由主控制器連接若干分布式控 制器，每個(gè)分布式控制器都有各自的控制對象和目標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是局部的故障不至 于影響全局，可靠性高；缺點(diǎn)是總體控制性能差，全局協(xié)調(diào)運(yùn)行較困難。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種有效性高、便于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)、局部的故障不 至于影響全局、可靠性高、總體控制性能好、全局協(xié)調(diào)運(yùn)行效果好的兩棲機(jī)械螃 蟹的分級控制裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制方 法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置包括上層組織級、中層協(xié)調(diào)級和下層執(zhí)行級三 大部分；上層組織級控制系統(tǒng)主要由以S3C44B0為核心ARM系統(tǒng)組成，外圍 擴(kuò)展包括無線數(shù)傳模塊SRWKF-108、紅外遙控接口、 Can通信接口 MCP2510、 RS232接口 MAX232、液晶顯示模塊和Intenet以太網(wǎng)接口 RTL8019AS;協(xié)調(diào)級 控制系統(tǒng)由一片AVR單片機(jī)ATmegal28L組成，它包括聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)、三軸陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)力覺傳感器信息處理系統(tǒng)、步行足 1協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足2協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足3協(xié)調(diào)控 制器ATmegal6L、步行足4協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足5協(xié)調(diào)控制器 ATmegal6L、步行足6協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足7協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、 步行足8協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L;執(zhí)行級控制系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，由8個(gè)步行 足驅(qū)動模塊和一個(gè)多傳感器信號采集模塊構(gòu)成，每一個(gè)步行足驅(qū)動模塊包括三個(gè) 驅(qū)動器跟關(guān)節(jié)驅(qū)動器、股關(guān)節(jié)驅(qū)動器和脛關(guān)節(jié)驅(qū)動器；多傳感器信號采集模塊 包括聲納控制器Msp430F149、力傳感器數(shù)據(jù)處理XC2S100和壓力傳感器數(shù)據(jù) 采集Msp430F149;每個(gè)步行足系統(tǒng)自成一個(gè)模塊，具體控制各步行足上各關(guān)節(jié) 的運(yùn)動，它由1片AVR單片機(jī)ATmegal6L、 3片TI的MSP430F1222單片機(jī)組成， ATmegal6L主要負(fù)責(zé)電機(jī)伺服驅(qū)動器的通信和關(guān)節(jié)電位計(jì)的信號采集， MSP430F1222構(gòu)成了每個(gè)步行足各關(guān)節(jié)電機(jī)的伺服驅(qū)動器，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行協(xié)調(diào)級 發(fā)送過來的電機(jī)控制指令，對各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行伺服驅(qū)動。傳感器模塊主要由一片 AVR單片機(jī)ATmegal28L組成，負(fù)責(zé)對每條步行足上力信號的采集處理、超聲波 傳感器陣列的信號采集以及新增外設(shè)的擴(kuò)展?？刂菩盘栞斎肷蠈咏M織級控制部 分，協(xié)調(diào)級控制部分連接于上層組織級控制部分與執(zhí)行級控制部分之間，執(zhí)行級 控制部分與關(guān)節(jié)驅(qū)動單元之間以485總線通信協(xié)議進(jìn)行通信。本發(fā)明的兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置的步行足驅(qū)動模塊的核心芯片由3 片微處理器MSP430fl222和一片ATmegal6L構(gòu)成， 一片Msp430F1222、功率放大 電路、光電編碼器反饋電路組成運(yùn)動控制器，Msp430F1222與增量光電編碼器、 電位計(jì)、PWM功率放大器都相連，并與蟹足關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)器通過并行接口相連； Msp430F1222、 PWM功率放大器、電機(jī)M和電位計(jì)組成了絕對位置閉環(huán)檢測系統(tǒng)， 而Msp430F1222、 PWM功率放大器、電機(jī)M和光電編碼器通過光電編碼器接口形 成增量位置、速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)控制器模塊通過并行通信接口與組織級的 步行足協(xié)調(diào)控制器相連。兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制方法為步態(tài)規(guī)劃模塊根據(jù)傳感器提供的信息判斷機(jī)器人當(dāng)前狀況，之后根據(jù)所選擇 的坐標(biāo)系、機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，規(guī)劃出機(jī)器人下一個(gè)姿態(tài)各個(gè)關(guān)節(jié)的角 度；指令發(fā)送模塊將計(jì)算得到的各個(gè)關(guān)節(jié)角度以通信協(xié)議規(guī)定的指令格式，按照一定的循環(huán)周期向下層各伺服控制單元發(fā)送；反饋中斷模塊的作用是，當(dāng)各關(guān)節(jié) 位置達(dá)到理想位置后向上位機(jī)傳送反饋信號，上位機(jī)中利用中斷接受這個(gè)反饋信 息，并啟動下一個(gè)位置命令的傳送；顯示模塊將機(jī)器人的狀態(tài)用LCD液晶屏進(jìn)行 顯示；無線遙控模塊用于機(jī)器蟹接收控制人員的決策命令，使其可控。整個(gè)控制系統(tǒng)在開關(guān)打開開始工作后，第一步進(jìn)行系統(tǒng)初始化和各關(guān)節(jié)位置 復(fù)位，系統(tǒng)在初始化和各關(guān)節(jié)復(fù)位后，等待控制器指令，當(dāng)我們用無線遙控手柄 或是紅外遙控器發(fā)出執(zhí)行動作指令后，上層控制器接收指令信號，根據(jù)上層主控 器傳送的指令和數(shù)據(jù)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作，并根據(jù)反饋的結(jié)果來確定是否執(zhí) 行完畢，然后等待下一指令，上層主控器傳送的指令到數(shù)據(jù)控制電機(jī)需要經(jīng)過通 訊中斷判斷程序、通訊中斷子程序后，將指令分解為8條步行足三個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)， 執(zhí)行單關(guān)節(jié)位置伺服子程序就會根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制，通過一個(gè)執(zhí)行判斷指令來控制程序最終是否執(zhí)行完畢；當(dāng)在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過程中，人為無線遙 控讓其運(yùn)動停止、改變運(yùn)動指令或是任務(wù)沒有最終完成都會返回指令等待狀態(tài)； 處于上層的主控器通過RS485給下位關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器傳送的指令應(yīng)包括該關(guān)節(jié) 的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動的角速度等信息；而關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器通過RS485總 線將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和步行足當(dāng)前狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)的反饋給上位機(jī)。本發(fā)明針對機(jī)械螃蟹控制的特點(diǎn)，提出分級遞階控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)吸收了集 中結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。以分級分配的設(shè)計(jì)原則將系統(tǒng)分為組織 級、監(jiān)控協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三級，各分布式控制器既可以獨(dú)立地工作，又可以通過 通信線路與上級，或同級進(jìn)行通信、交換信息。這種遞階的結(jié)構(gòu)兼有了集中結(jié)構(gòu) 和分布結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因而它的全局與局部控制性能較高，運(yùn)行可靠。本發(fā)明是根據(jù)兩棲機(jī)械螃蟹復(fù)雜的控制系統(tǒng)要求，提供了一種基于分級遞階 控制系統(tǒng)的兩棲機(jī)械螃蟹的優(yōu)化控制方法，它包括分層遞階控制裝置及控制方法 兩部分，分層遞階控制裝置和控制方法均采用組織級、監(jiān)控協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三級 協(xié)調(diào)處理方式。這種控制方法適用于控制所有的多足機(jī)器人，分級遞階控制系統(tǒng) 吸收了集中式和分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有有效性高、便于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)、局部 的故障不至于影響全局、可靠性高、總體控制性能好、全局協(xié)調(diào)運(yùn)行效果好等特 點(diǎn)。它以分級分配的設(shè)計(jì)原則將系統(tǒng)分為組織級、監(jiān)控協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三級，各 分布式控制器既可以獨(dú)立地工作，又可以通過通信線路與上級，或同級進(jìn)行通信、交換信息。這種遞階的結(jié)構(gòu)兼有了集中結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因而它的全局與 局部控制性能較高，運(yùn)行可靠。圖l為分級遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。分級遞階控制基本原理組織級代表控制系統(tǒng)的主導(dǎo)思想，具有最高的智能 水平，涉及知識(電子地圖)的表示與處理，并由人工智能(路徑規(guī)劃、集群協(xié) 作)起主導(dǎo)作用，在運(yùn)行過程中可人為干預(yù)，通過向機(jī)器蟹發(fā)送命令信息，可以 人為改變其行走路徑、協(xié)作策略；協(xié)調(diào)級為組織級和執(zhí)行級之間的連接裝置，涉 及決策方式的表示，由人工智能和運(yùn)籌學(xué)起主導(dǎo)作用；執(zhí)行級是智能控制系統(tǒng)的 最低層次，要求具有最高的控制精度，并由常規(guī)控制理論進(jìn)行控制。機(jī)器蟹的控制系統(tǒng)涉及到24個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制、8組變結(jié)構(gòu)力覺傳感器的 信號采集與處理、三軸位姿陀螺信號采集與處理、兩棲仿生步態(tài)的生成、避障路 徑規(guī)劃、人機(jī)交互、無線和紅外通信的管理等，是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)。"分解" 與"協(xié)調(diào)"是大系統(tǒng)控制最基本的設(shè)計(jì)原則。分級遞階控制的方案被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)綜合控制的理想方案，它有分 散控制、分布式控制和遞階控制幾種形式。機(jī)器蟹采用了分級遞階智能控制系統(tǒng)， 主控單元與分布式關(guān)節(jié)驅(qū)動單元之間以485總線通信協(xié)議進(jìn)行通信，這種分工明 確、能夠進(jìn)行并行處理的分布式結(jié)構(gòu)便于提高運(yùn)算、執(zhí)行速度和控制精度，其整 體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示主控系統(tǒng)包括組織層、協(xié)調(diào)層、執(zhí)行層三大部分，組織 層包括主控制器、人機(jī)操作界面、各種環(huán)境狀態(tài)的計(jì)算知識庫和步態(tài)規(guī)則庫，組 織層負(fù)責(zé)人機(jī)交互、避障策略推算、步態(tài)生成等；協(xié)調(diào)層處于組織層與執(zhí)行層之 間，包括傳感器分析模塊、步態(tài)生成系統(tǒng)、單腿復(fù)合動作庫以及各關(guān)節(jié)單元動作 庫，協(xié)調(diào)層負(fù)責(zé)任務(wù)協(xié)調(diào)；執(zhí)行層包括超聲波傳感器、變結(jié)構(gòu)力覺傳感器、三軸 陀螺以^各關(guān)節(jié)驅(qū)動器，執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)分析、步態(tài)生成，其處于 控制系統(tǒng)的最底層，任務(wù)單一、分工明確，如負(fù)責(zé)傳感器信號采集、處理、精 確控制電機(jī)等。

圖1是分級遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是機(jī)器蟹分級遞階控制系統(tǒng)； 圖3是機(jī)器蟹控制系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)； 圖4是運(yùn)動控制器系統(tǒng)構(gòu)成；圖5是功放電路L6203接線圖；圖6是光電隔離電路； 圖7是辨轉(zhuǎn)向電路及其波形圖； 圖8是無限數(shù)傳模塊應(yīng)用原理圖； 圖9是主機(jī)的紅外通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 圖IO是紅外遙控器內(nèi)部電氣連接圖；圖11是RS485通訊芯片HVD3082的接線； 圖12是以太網(wǎng)接口電路示意圖； 圖13是CAN總線接口電路圖；圖14是機(jī)器蟹分層遞階控制系統(tǒng)；圖15是控制系統(tǒng)軟件框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述-結(jié)合圖l、圖2和圖3，他包括上層組織級、中層協(xié)調(diào)級和下層執(zhí)行級三大 部分。上層組織級控制系統(tǒng)主要由以S3C44B0為核心ARM系統(tǒng)組成，外圍擴(kuò)展包 括無線數(shù)傳模塊SRWKF-108、紅外遙控接口、 Can通信接口 MCP2510、 RS232接口 MAX232、液晶顯示模塊和Intenet以太網(wǎng)接口 RTL8019AS等。組織級的功能主要 負(fù)責(zé)接受用戶命令、向用戶反饋信息、根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境規(guī)劃各個(gè)蟹腿的運(yùn)動策略， 無線數(shù)傳模塊SRWKF-108和紅外遙控接口通過各自串口與機(jī)器人主控制器相連， 為機(jī)器人提供遠(yuǎn)程遙控功能，Can通信接口 MCP2510和RS232接口 MAX232為機(jī) 器人在線調(diào)試提供多種下載和調(diào)試接口，液晶顯示模塊通過系統(tǒng)總線與機(jī)器人主 控制器相連，它為機(jī)器人程序調(diào)試和試驗(yàn)提供直觀的參數(shù)和界面，Intenet以太 網(wǎng)接口 RTL8019AS為建立多機(jī)器人協(xié)作提供局域網(wǎng)絡(luò)通信接口 。協(xié)調(diào)級控制系統(tǒng) 由一片AVR單片機(jī)ATmegal28L組成，它包括聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)、三軸 陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)力覺傳感器信息處理系統(tǒng)、步行足1協(xié)調(diào)控制 器ATmegal6L、步行足2協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足3協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、 步行足4協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足5協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足6協(xié) 調(diào)控制器ATmegal6L、步行足7協(xié)調(diào)控制器ATmegal6L、步行足8協(xié)調(diào)控制器 ATmegal6L。協(xié)調(diào)級負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各足以組合出各種各樣的步態(tài)，機(jī)器蟹的步態(tài)是機(jī)器人運(yùn)動的基本單元，是決策系統(tǒng)的基本保障，它包括一些常規(guī)的步態(tài)，如水環(huán) 境高姿雙四足橫行步態(tài)、低姿M型五足著地步態(tài)等，還包括一些非常規(guī)步態(tài)，如 第N (N=l 3)足斷足步態(tài)、水環(huán)境越障步態(tài)等，步行足的協(xié)調(diào)控制。而步態(tài)的 選擇是與外界環(huán)境有關(guān)系的，聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)通過一片Msp430F149 對聲納控制器返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，他主要是檢測遠(yuǎn)距離障礙物以及水 下通信等。三軸陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)通過陀螺XC2S100內(nèi)的力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn) 行處理分析，主要檢測機(jī)器人機(jī)體在環(huán)境中的偏轉(zhuǎn)角度，保證機(jī)器人不能翻倒。 變結(jié)構(gòu)力覺傳感器信息處理系統(tǒng)通過一片Msp430F149進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要監(jiān)測 近距離的障礙物、凹坑等、臺階、斜坡等，對機(jī)器人行走過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，保 證不會損傷、掉陷等。處理分析以上三種傳感器的數(shù)據(jù)是為了給機(jī)器人增加外傳 感裝置，使機(jī)器人能更好的適應(yīng)環(huán)境，以最優(yōu)的步態(tài)行進(jìn)，提高工作效率。執(zhí)行 級控制系統(tǒng)采用模塊化的方法，由8個(gè)步行足驅(qū)動模塊和一個(gè)多傳感器信號采集 模塊構(gòu)成，每一個(gè)步行足驅(qū)動模塊包括三個(gè)驅(qū)動器跟關(guān)節(jié)驅(qū)動器、股關(guān)節(jié)驅(qū)動 器和脛關(guān)節(jié)驅(qū)動器；多傳感器信號采集模塊包括聲納控制器(Msp430F149)、 力傳感器數(shù)據(jù)處理XC2S100 (陀螺)和壓力傳感器數(shù)據(jù)采集(Msp430F149)。每 個(gè)步行足系統(tǒng)自成一個(gè)模塊，具體控制各步行足上各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，它由1片AVR 單片機(jī)ATmegal6L、 3片TI的MSP430F1222單片機(jī)組成，ATmegal6L主要負(fù)責(zé)電 機(jī)伺服驅(qū)動器的通信和關(guān)節(jié)電位計(jì)的信號采集，MSP430F1222構(gòu)成了每個(gè)步行足 各關(guān)節(jié)電機(jī)的伺服驅(qū)動器，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行協(xié)調(diào)級發(fā)送過來的電機(jī)控制指令，對各 關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行伺服驅(qū)動。傳感器模塊主要由一片AVR單片機(jī)ATmegal28L組成， 負(fù)責(zé)對每條步行足上力信號的采集處理、超聲波傳感器陣列的信號采集以及新增 外設(shè)的擴(kuò)展。兩棲仿生機(jī)器蟹整體硬件結(jié)構(gòu)詳細(xì)組成如圖3所示，整個(gè)工作過程是上層 組織級的外圍擴(kuò)展模塊無線數(shù)傳模塊SRWKF-108、紅外遙控接口、 Can通信接口 MCP2510、 RS232接口 MAX232、液晶顯示模塊和Intenet以太網(wǎng)接口 RTL8019AS 為機(jī)器人遠(yuǎn)程無線遙控、程序在線調(diào)試、人機(jī)交互界面、局域網(wǎng)通信接口提供給 基本硬件接口；聲納控制器(Msp430F149)、力傳感器數(shù)據(jù)處理XC2S100 (陀螺) 和壓力傳感器數(shù)據(jù)采集(Msp430F149)是機(jī)器人的外圍檢測模塊，為機(jī)器人工作 環(huán)境提供實(shí)時(shí)參數(shù)，這些參數(shù)不斷的通過協(xié)調(diào)級的聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)、三軸陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)和變結(jié)構(gòu)力覺傳感器信息處理系統(tǒng)處理后反饋給上層組織級的S3C44B0主控，主控根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)相應(yīng)發(fā)出不同的步態(tài)庫指令，這些指令又通過協(xié)調(diào)級的8個(gè)步行足協(xié)調(diào)控制器處理后把指令參數(shù)發(fā)給執(zhí)行級的各個(gè)關(guān)節(jié)，這樣就完成了適應(yīng)于不同環(huán)境的步態(tài)，行走過程中是實(shí)時(shí)監(jiān)測的，根據(jù)外界環(huán)境相應(yīng)改變行走步態(tài)和路徑，使其能以最優(yōu)、最快的方式行進(jìn)。 l.蟹足關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動模塊蟹足關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動模塊，可以驅(qū)動一條蟹足上的三個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，核心芯片由3片微處理器MSP430f1222和一片ATmegal6L構(gòu)成，MSP430f 1222主要負(fù)責(zé)單個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動；ATmegal6L負(fù)責(zé)三個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制、與上位機(jī)通信、電位計(jì)信號的采集。電機(jī)控制器硬件構(gòu)成結(jié)合圖4，運(yùn)動控制器由一片Msp430F1222最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括 一片 Msp430F1222、功率放大電路、光電編碼器反饋電路組成，Msp430F1222與增量 光電編碼器、電位計(jì)、PWM功率放大器都相連，并與蟹足關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)器通過并行接 口相連。Msp430F1222、 PWM功率放大器、電機(jī)M和電位計(jì)組成了絕對位置閉環(huán) 檢測系統(tǒng)，而Msp430F1222、 PWM功率放大器、電機(jī)M和光電編碼器通過光電編 碼器接口形成了增量位置、速度反饋閉環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)控制器模塊通過并行通信接 口與組織級的步行足協(xié)調(diào)控制器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，Msp430F1222接收到指 令后通過功率放大輸出PWM信號，控制電機(jī)M的轉(zhuǎn)動，而電位計(jì)監(jiān)測電機(jī)M的絕 對位置后，光電編碼器以此開始計(jì)數(shù)反饋，正樣就能對電機(jī)M進(jìn)行速度、加速度 和位置的調(diào)節(jié)控制，這樣就達(dá)到了控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的目的。 [l]功率放大驅(qū)動電路結(jié)合圖5，功率放大電路要求較高的性能保證機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 選用性能參數(shù)比較合適的集成功率放大器，與采用分立元件設(shè)計(jì)的功放電路相 比，不但能減小功放電路的體積，提高整體性能，而且集成功放中設(shè)計(jì)有多種多 樣的保護(hù)電路，可以減少系統(tǒng)故障的可能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。因此，在設(shè)計(jì)功 率驅(qū)動電路的時(shí)，對芯片的體積、性能、價(jià)格等各方面作仔細(xì)對比后，選擇了 ST公司生產(chǎn)的全橋電機(jī)驅(qū)動專用芯片L6203。L620x系列集成功率放大電路是專為中小型電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部集成 了DMOS (耗盡型場效應(yīng)管)功率開關(guān)管、CMOS和雙極性電路；最大供電電壓可達(dá)48V，輸出電流達(dá)到5A，含有過熱保護(hù)、過載保護(hù)；提供最大40ns死區(qū)時(shí)間； 最高頻率可達(dá)lOOKHz，輸入兼容TTL、 CMOS電平。 [2]光電編碼器反饋電路結(jié)合圖6，編碼器是電機(jī)的反饋通道，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向、位置都是通過 編碼器的反饋脈沖得到的，該電路由光電隔離電路、辨轉(zhuǎn)向電路、細(xì)分電路、計(jì) 數(shù)器四部分組成，光電隔離電路主由兩路高速光電偶合器6N137，其能夠響應(yīng)高 達(dá)10MHz的高頻脈沖，來對電動機(jī)相位差90°的A、 B兩通道信號進(jìn)行光電隔離， 能夠有效地清除外界電磁信號對后續(xù)計(jì)數(shù)器的干擾。結(jié)合圖7，辨轉(zhuǎn)向電路由一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成，經(jīng)過光隔整形處理的A、 B兩 相脈沖分別輸入到D觸發(fā)器的D端和CP端，故D觸發(fā)器的CP端在A脈沖的上升 沿觸發(fā)。由于A、 B脈沖相位差90。，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B脈沖超前A脈沖90。，觸發(fā) 器總是在B脈沖處于高電平時(shí)觸發(fā)，從圖中可以看出Q=l表示正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)A脈 沖超前B脈沖90。，觸發(fā)器總是在B脈沖處于低電平時(shí)觸發(fā)，此時(shí)Q二O,表示反 轉(zhuǎn)。2. 無線數(shù)傳模塊為實(shí)現(xiàn)機(jī)器蟹可控，并對行進(jìn)時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，在機(jī)器蟹上層控制系統(tǒng)中 安裝了 SRWF-108型微功率無線數(shù)傳模塊，他包括無線操縱手柄(發(fā)射)和接 收模塊，而接收模塊由接收天線、數(shù)據(jù)處理模塊(RF IC和AtmelMCU)、串口 UART 組成。該模塊傳輸特點(diǎn)如下①傳輸距離較遠(yuǎn)，在視距情況下，天線高度大于 3m，可靠傳輸距離大于3000m;②能適合標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議；③支持多信 道，多速率； 雙串口，三種接口方式；⑤支持有無校驗(yàn)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。無限數(shù)傳模塊可提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232、 RS-485和UART (TTL電平)三種接口 方式，可與計(jì)算機(jī)、用戶的RS-485設(shè)備、單片機(jī)或其它UART器件直接連接使用， 其通信信道是半雙工的，最適合點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式。應(yīng)用原理圖見圖8所示。 工作過程是人手中操控發(fā)射手柄面板指令，由發(fā)射天線發(fā)射無線電波信號指令， 而由圖8中的天線接收無線電波信號，經(jīng)過RF IC接收后由處理器AtmelMCU分 析校驗(yàn)，濾掉沒有用的信號，將有用的信號指令數(shù)據(jù)經(jīng)過串口 UART傳遞給機(jī)器 人主控制器ARM，這樣，ARM就通過傳過來的指令執(zhí)行相應(yīng)的指令程序，達(dá)到機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控工作的目的。3. 紅外遙控模塊機(jī)器蟹的紅外通信系統(tǒng)由主控處理器的紅外接口、紅外遙控手柄兩部分構(gòu) 成，遙控手柄由鍵盤掃描、紅外解碼編碼、紅外收發(fā)器三部分構(gòu)成。紅外通信的 基本原理是發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號調(diào)制為一系列的脈沖信號，再通過紅外發(fā)射 管發(fā)射紅外信號。串行紅外傳輸采用特定的脈沖編碼標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)與RS232串 行傳輸標(biāo)準(zhǔn)不同，若兩設(shè)備之間進(jìn)行串行紅外通訊，就需要進(jìn)行RS232編碼和 IrDA編碼之間的轉(zhuǎn)換。紅外通訊接口由紅外收發(fā)器和紅外編碼解碼器構(gòu)成。lrDA即紅外數(shù)據(jù)協(xié)會，全稱The Infrared DataAssociation，是1993年6 月成立的一個(gè)國際性組織，專門制訂和推進(jìn)能共同使用的低成本紅外數(shù)據(jù)互連標(biāo) 準(zhǔn)，支持點(diǎn)對點(diǎn)的工作模式。IrDA的宗旨是制訂以合理的代價(jià)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié) 議，以推動紅外通信技術(shù)的發(fā)展。IrDAl.O簡稱SIR Serial InfraRed，它是基 于HP-SIR的異步、半雙工紅外通訊方式。SIR以系統(tǒng)的異步通訊收發(fā)器UART為 依托，通過對串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對所接收光信號電脈沖的波形擴(kuò)展這一 編碼解碼過程3/16EnDec實(shí)現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到主控處理器S3C44B0的UART0 與UART1均具有IrDA 1. 0模式，IrDAl. 0可支持最高115. 2kbps的通信速率。 這樣主控的紅外接口就比較簡潔，選用UART1作為紅外通信端口。紅外收發(fā)器模 塊選用HSDL-3201，紅外收發(fā)器包括發(fā)送器和接收器兩部分。發(fā)送器 (transmitter)將從I/O或ENDEC接收來的位調(diào)制后的脈沖轉(zhuǎn)換為紅外脈沖發(fā) 出；接收器(receiver)檢測到紅外光脈沖，并將其轉(zhuǎn)換為TTL或CMOS電脈沖。 主機(jī)的紅外通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如哲9所示。機(jī)器蟹的遙控手柄由鍵盤掃描、紅外解碼編碼、紅外收發(fā)器三部分構(gòu)成，作 為手持設(shè)備著眼于低功耗考慮，選用Msp430F1222作為主處理器，負(fù)責(zé)鍵盤掃描、 串口數(shù)據(jù)發(fā)送，紅外收發(fā)器模塊選用HSDL-3201，紅外解碼編碼器選用專用的 HSDL7001,該芯片適應(yīng)IrDAl. O物理層規(guī)范，接口與SIR收發(fā)器相兼容，可與標(biāo) 準(zhǔn)的16550UART或MCU的UART連接使用，可發(fā)送/接收1. 63us或3/16脈沖形 式，具有內(nèi)部或外部時(shí)鐘模式，波特率可編程。圖IO是紅外遙控器的內(nèi)部電氣 連接圖。整個(gè)工作流程如圖10，首先主處理器在沒有鍵盤按下時(shí)是處于休眠狀態(tài) 的，這時(shí)耗電極省，當(dāng)某一鍵(矩陣鍵盤中的一個(gè))按下時(shí)，產(chǎn)生中斷將主處理 器喚醒，MSP430F1222處理器通過并行信號執(zhí)行鍵盤掃描、消抖程序后將鍵值發(fā)送給紅外解碼編碼HSDL7001, HSDL7001將其編碼后通過紅外收發(fā)器HSDL-3201 發(fā)送，發(fā)送后主處理器又將進(jìn)入休眠狀態(tài)。機(jī)器蟹的紅外收發(fā)器HSDL-3201 (圖 9)接收到該信號后，將編碼信號發(fā)送給主處理器S3C44B0的紅外編碼解碼器， 通過解碼將鍵值得到，通過串行信號傳遞給機(jī)器人主控制器，進(jìn)而執(zhí)行該鍵值的 指令。4.網(wǎng)絡(luò)通信接口網(wǎng)絡(luò)通信接口包括RS485異步串行總線通信、以太網(wǎng)接口和CAN總線接口。 RS485通信為上下層控制系統(tǒng)之間提供信息傳遞，以太網(wǎng)接口為多機(jī)器人建立的 局域網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，C緒總線為擴(kuò)展總線，可以同一些遠(yuǎn)距離水下通訊Modem、 工業(yè)GPS等設(shè)備連接。(1) RS485硬件電路在仿生機(jī)器蟹雙層控制系統(tǒng)中，上下層控制系統(tǒng)之間，選用了RS485異步串 行總線的通信方式，主處理器S3C44B0、傳感器數(shù)據(jù)處理器Megal28、八片步行 足協(xié)調(diào)處理器Megal6掛在總線上。RS485標(biāo)準(zhǔn)最初由電子工業(yè)協(xié)會(EIA)于1983年制訂并發(fā)布，后由通訊工 業(yè)協(xié)會(TIA)修訂后命名為TEA/EIA-485A。 RS485是一個(gè)電氣接口規(guī)范，適用 于設(shè)備間的距離小于1200m，其傳輸率最大為lMB/s。 RS485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)基 于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向(半雙工)通信鏈路，是一種極為經(jīng)濟(jì)、并具有相當(dāng)高 噪聲抑制、傳輸速率、傳輸距離和寬共模范圍的通信平臺。RS485串行總線接口 標(biāo)準(zhǔn)以差分平衡方式傳輸信號，具有很強(qiáng)的抗共模干擾的能力，允許一對雙絞線 上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動多個(gè)負(fù)載設(shè)備，工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)中一般都采用該總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn) 行數(shù)據(jù)傳輸。研究中采用的主控系統(tǒng)處理器S3C44B0有兩個(gè)串行通訊接口， Megal6具有 一個(gè)串口，可以通過軟件選擇其為同步串口 (SPI)還是異步串口 (UART)。只要 選擇一款支持RS485標(biāo)準(zhǔn)的總線驅(qū)動器，通過它將作為上位機(jī)與作為下位機(jī)的 Megal6相連就可以形成我們需要的RS485的總線系統(tǒng)，經(jīng)過比較我們選擇了 HVD3082作為RS485通訊總線的驅(qū)動芯片。HVD3082是美國TI公司生產(chǎn)的，它完 全滿足TIA/EIA-485A標(biāo)準(zhǔn)，5V供電，功耗極低，工作電流小于0.3mA，關(guān)斷電 流lnA左右，總線支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖11為HVD3082接線圖。通過通訊實(shí)驗(yàn)證明RS485串行總線接口電路簡單，性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適用機(jī)器蟹的的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中為了方便的控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，同時(shí)便于將 信息反饋給實(shí)驗(yàn)人員，仍選擇通過RS232異步串行口在PC機(jī)和S3C44B0之間進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換，因此，單足實(shí)驗(yàn)時(shí)也在上層的硬件電路上設(shè)計(jì)了RS232串口電路。(2) RS485通信協(xié)議控制系統(tǒng)中在RS485總線上需要通訊的數(shù)據(jù)有24個(gè)驅(qū)動器狀態(tài)初始化數(shù) 據(jù)、24個(gè)關(guān)節(jié)位置數(shù)據(jù)、24個(gè)關(guān)節(jié)速度數(shù)據(jù)、24個(gè)關(guān)節(jié)加速度數(shù)據(jù)、24個(gè)關(guān)節(jié) 電位計(jì)數(shù)據(jù)，顯然數(shù)據(jù)量是很大的，其在同一條數(shù)據(jù)線穿梭時(shí)，對通信協(xié)議的要 求很高。從通信速度、可靠性角度出發(fā)，選用的串行通信格式為8位數(shù)據(jù)位， 1位啟動位，1位停止位，無校驗(yàn)位，通信速率是115200bps。由于本系統(tǒng)中數(shù) 據(jù)量較大，在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的總線式網(wǎng)絡(luò)中，采取主從應(yīng)答方式 由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起并控制網(wǎng)上網(wǎng)絡(luò)與接口一次通信。每個(gè)從節(jié)點(diǎn)有一個(gè)識別地址，只 有收到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)幀時(shí)，才有相應(yīng)的處理，并向主節(jié)點(diǎn)應(yīng)答結(jié)果。該 系統(tǒng)中主要有兩個(gè)通信過程向關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器節(jié)點(diǎn)發(fā)送運(yùn)動參數(shù)(位置、速度、 加速度)；從關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器取得關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)(位置、速度、加速度、電位計(jì) 值)。為保證通信暢通和從節(jié)點(diǎn)的本地事務(wù)順利執(zhí)行，設(shè)計(jì)了限時(shí)退出的通信方 法，既在收到與自己地址不匹配的數(shù)據(jù)幀時(shí)，臨時(shí)關(guān)閉通信口。這樣既保證了本 地事務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，又可避免從節(jié)點(diǎn)常在網(wǎng)上可能引起的雙向干擾，因此在上、 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)中采用二次檢錯(cuò)、重發(fā)和限時(shí)退出并重新握手建立連接等通信 機(jī)制。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，在某些節(jié)點(diǎn)工作異常，甚至通信網(wǎng)絡(luò)完全癱瘓的情況下其他 各節(jié)點(diǎn)也能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、異常報(bào)警和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲等本地事務(wù)， 一旦故障 節(jié)點(diǎn)排除，既可恢復(fù)通信。(3) 以太網(wǎng)接口硬件部分以太網(wǎng)既是一種計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng)絡(luò)的連接標(biāo)準(zhǔn)，又是一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備數(shù) 據(jù)共享的通信協(xié)議，其采用具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入CSMA/CD技術(shù)。由 于以太網(wǎng)傳送速率大幅度提高，物理層標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)化以及以太網(wǎng)集線器技術(shù)的形 成，千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 被推進(jìn)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，形成了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。與目前的基于現(xiàn)場總線的控 制網(wǎng)絡(luò)相比，基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)是一種低成本(許多商用以太網(wǎng)的芯片組與技術(shù)可以借用)、高性能的控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。以太網(wǎng)接口對于ARM系 統(tǒng)來說是比較關(guān)鍵的接口，主要是因?yàn)槠渫ㄓ嵥俣群芸?10Mbps),可通過進(jìn)行 程序快速調(diào)試，大容量FLASH存儲器編程，相對于JTAG接口調(diào)試來說速度可以 提高近100倍，4M的程序通過JTAG下載耗時(shí)近1小時(shí)，而通過網(wǎng)口下載只需僅 僅32秒。以太網(wǎng)接口采用Realted公司生產(chǎn)的RTL8019AS以太網(wǎng)控制器，支持 IEEE802.3及8位或16位數(shù)據(jù)總線，內(nèi)置16KB的SRAM用于收發(fā)緩沖，全雙工， 收發(fā)同時(shí)達(dá)到10Mbps，支持10Base5、 10Base2、 10BaseT，并能自動檢測所連接 的介質(zhì)，在ISA總線網(wǎng)卡中占有相當(dāng)比例。RTL8019AS與主機(jī)有3種接口模式， 即跳線模式、PnP模式和RT模式。在嵌入式系統(tǒng)中不使用EEPROM，也不使用ISA 總線，所以選擇跳線模式，JP接高電平，部分設(shè)置由引腳決定。 (4)以太網(wǎng)接口軟件部分與以太網(wǎng)接口相關(guān)通信程序分為RTL8019AS初始化、發(fā)送控制、接收控制 三部分，其接口電路示意圖如圖12。初始化部分完成RTL8019AS在使用之前的初始化工作設(shè)置相關(guān)工作模式的 寄存器，分配和初始化接收和發(fā)送緩沖區(qū)，初始化網(wǎng)卡接收地址。RTL8019AS初始化程序工作步驟如下1) 復(fù)位RTL8019AS;2) 選中頁0寄存器，RTL8019AS停止運(yùn)行；3) 設(shè)置數(shù)據(jù)配置寄存器為16位；4) 清除遠(yuǎn)程DMA計(jì)數(shù)器；5) 設(shè)置接收緩沖區(qū)區(qū)間；6) 設(shè)置接收配置寄存器(僅接收自己的地址的數(shù)據(jù)包)；7) 設(shè)置發(fā)送配置寄存器(啟用CRC自動生成和自動校驗(yàn))；8) 中斷寄存器清零；9) 屏蔽RTL8019AS內(nèi)所有中斷；10) 設(shè)置指向最后一個(gè)已經(jīng)讀取的頁的寄存器(BNRY);11) 選擇頁l寄存器；12) 初始化物理地址；13) 初始化組播地址；14) 設(shè)置當(dāng)前的接收結(jié)束頁寄存器；15) 選擇頁0寄存器，啟動RTL8019AS執(zhí)行命令；16) 開啟主機(jī)里RTL8019AS對應(yīng)中斷；發(fā)送部分只要把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，啟動執(zhí)行指令，RTL8019AS自動發(fā)送。一 般在RAM內(nèi)開辟兩個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包長空間作為發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，兩個(gè)緩 沖區(qū)輪流發(fā)送，其數(shù)據(jù)的發(fā)送校驗(yàn)、總線數(shù)據(jù)包的碰撞檢測與避免均是由 RTL8019AS本身完成的。接收部分完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)，RTL8019AS接收到以太網(wǎng) 數(shù)據(jù)包后自動存在接收緩沖區(qū)并發(fā)出中斷信號，S3C44B0X在中斷程序里通過DMA 方式即可讀入接收到數(shù)據(jù)。 (5) CAN總線接口CAN是一種具有國際標(biāo)準(zhǔn)而且性能價(jià)格比又較高的現(xiàn)場總線，作為擴(kuò)展總線， 其可以方便地同一些遠(yuǎn)距離水下通訊Modem、工業(yè)GPS等設(shè)備連接。CAN總線接 口采用美國微芯(Microchip Technology Inc)帶有SPI接口的MCP2510作為 CAN總線控制器，控制器與物理總線之間的接口采用Philips公司的TJA1050, 其電路如圖13所示，TJA1050是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收發(fā)器的后 繼產(chǎn)品。主要區(qū)別在于①輸出信號CANH和CANL的最佳匹配，使電磁輻射更低； ②節(jié)點(diǎn)未供電時(shí)，性能有所改進(jìn)；③無待機(jī)模式。二.控制系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)機(jī)器蟹采用三級分層遞階控制，在機(jī)器蟹控制軟件的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)硬件模 塊也采用了軟件模塊化的方法。如圖14所示，主控電路板由主控處理器、協(xié)處 理器以及外圍電路構(gòu)成，主控處理器中固化有推理模塊、路徑規(guī)劃模塊、通信模 塊，協(xié)處理器中固化有步態(tài)庫、通信模塊、步態(tài)協(xié)調(diào)模塊、觸障反射模塊，而協(xié) 調(diào)級的這些模塊與8條步行足的步態(tài)協(xié)調(diào)器、聲納協(xié)調(diào)器、力覺協(xié)調(diào)器和位子協(xié) 調(diào)器相連，8條步行足的步態(tài)協(xié)調(diào)器又與各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動器相連組成三關(guān)節(jié)主控 系統(tǒng)(電路板)，聲納環(huán)協(xié)調(diào)器與聲納傳感器協(xié)調(diào)處理組成了聲納環(huán)信號處理板， 力覺協(xié)調(diào)器和力覺傳感器組成力信號解偶板，位姿處理器和位姿傳感器(陀螺) 組成電子陀螺系統(tǒng)?？刂栖浖目驁D如圖15所示。對機(jī)器蟹的姿態(tài)控制是基于位置的反饋控制。上位機(jī)向下位機(jī)傳送關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的理想位置。上位機(jī)軟件主要包括步態(tài)規(guī)劃模塊、 指令發(fā)送模塊、反饋中斷模塊、顯示模塊、無線遙控模塊組成。步態(tài)規(guī)劃模塊根據(jù)傳感器提供的信息判斷機(jī)器人當(dāng)前狀況，之后根據(jù)所選擇 的坐標(biāo)系、機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，規(guī)劃出機(jī)器人下一個(gè)姿態(tài)各個(gè)關(guān)節(jié)的角 度(定義一個(gè)行為庫，對關(guān)節(jié)角度的控制可在行為庫中查找)；指令發(fā)送模塊將 計(jì)算得到的各個(gè)關(guān)節(jié)角度以通信協(xié)議規(guī)定的指令格式，按照一定的循環(huán)周期向下 層各伺服控制單元發(fā)送；反饋中斷模塊的作用是，當(dāng)各關(guān)節(jié)位置達(dá)到理想位置后 向上位機(jī)傳送反饋信號，上位機(jī)中利用中斷接受這個(gè)反饋信息，并啟動下一個(gè)位 置命令的傳送；顯示模塊將機(jī)器人的狀態(tài)用LCD液晶屏進(jìn)行顯示，便于實(shí)驗(yàn)觀察; 無線遙控模塊用于機(jī)器蟹接收控制人員的決策命令，使其可控。圖15控制流程圖工作如下所述整個(gè)控制系統(tǒng)在開關(guān)打開開始工作后，第 一步進(jìn)行系統(tǒng)初始化和各關(guān)節(jié)位置復(fù)位，系統(tǒng)在初始化和各關(guān)節(jié)復(fù)位后，等待控 制器指令，當(dāng)我們用無線遙控手柄或是紅外遙控器發(fā)出執(zhí)行動作指令后，上層控 制器接收指令信號，根據(jù)上層主控器傳送的指令和數(shù)據(jù)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動 作，并根據(jù)反饋的結(jié)果來確定是否執(zhí)行完畢，然后等待下一指令，上層主控器傳 送的指令到數(shù)據(jù)控制電機(jī)需要經(jīng)過通訊中斷判斷程序、通訊中斷子程序后，將指 令分解為8條步行足三個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)，執(zhí)行單關(guān)節(jié)位置伺服子程序就會根據(jù)各個(gè) 關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制，通過一個(gè)執(zhí)行判斷指令來控制程序最終是否執(zhí)行完畢。 當(dāng)在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過程中，人為無線遙控讓其運(yùn)動停止、改變運(yùn)動指令或是任務(wù) 沒有最終完成都會返回指令等待狀態(tài)。本系統(tǒng)處于上層的主控器通過RS485給下 位關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器傳送的指令應(yīng)包括該關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動的角速 度等信息。而關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器通過RS485總線將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和步行足當(dāng)前狀態(tài)(擺 動還是支撐，是否碰到障礙物)情況等信息實(shí)時(shí)的反饋給上位機(jī)。
權(quán)利要求
1、一種兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置，其特征是它包括上層組織級、中層協(xié)調(diào)級和下層執(zhí)行級三大部分；上層組織級控制系統(tǒng)主要由以S3C44B0為核心ARM系統(tǒng)組成，外圍擴(kuò)展包括無線數(shù)傳模塊SRWKF-108、紅外遙控接口、Can通信接口MCP2510、RS232接口MAX232、液晶顯示模塊和Intenet以太網(wǎng)接口RTL8019AS；協(xié)調(diào)級控制系統(tǒng)由一片AVR單片機(jī)ATmega128L組成，它包括聲納環(huán)傳感器信息處理系統(tǒng)、三軸陀螺傳感器信息處理系統(tǒng)、變結(jié)構(gòu)力覺傳感器信息處理系統(tǒng)、步行足1協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足2協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足3協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足4協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足5協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足6協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足7協(xié)調(diào)控制器ATmega16L、步行足8協(xié)調(diào)控制器ATmega16L；執(zhí)行級控制系統(tǒng)為模塊化結(jié)構(gòu)，由8個(gè)步行足驅(qū)動模塊和一個(gè)多傳感器信號采集模塊構(gòu)成，每一個(gè)步行足驅(qū)動模塊包括三個(gè)驅(qū)動器跟關(guān)節(jié)驅(qū)動器、股關(guān)節(jié)驅(qū)動器和脛關(guān)節(jié)驅(qū)動器；多傳感器信號采集模塊包括聲納控制器Msp430F149、力傳感器數(shù)據(jù)處理XC2S100和壓力傳感器數(shù)據(jù)采集Msp430F149；每個(gè)步行足系統(tǒng)自成一個(gè)模塊，具體控制各步行足上各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，它由1片AVR單片機(jī)ATmega16L、3片TI的MSP430F1222單片機(jī)組成，ATmega16L主要負(fù)責(zé)電機(jī)伺服驅(qū)動器的通信和關(guān)節(jié)電位計(jì)的信號采集，MSP430F1222構(gòu)成了每個(gè)步行足各關(guān)節(jié)電機(jī)的伺服驅(qū)動器，主要負(fù)責(zé)執(zhí)行協(xié)調(diào)級發(fā)送過來的電機(jī)控制指令，對各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行伺服驅(qū)動。傳感器模塊主要由一片AVR單片機(jī)ATmega128L組成，負(fù)責(zé)對每條步行足上力信號的采集處理、超聲波傳感器陣列的信號采集以及新增外設(shè)的擴(kuò)展?？刂菩盘栞斎肷蠈咏M織級控制部分，協(xié)調(diào)級控制部分連接于上層組織級控制部分與執(zhí)行級控制部分之間，執(zhí)行級控制部分與關(guān)節(jié)驅(qū)動單元之間以485總線通信協(xié)議進(jìn)行通信。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置，其特征是所述 的分級控制裝置的步行足驅(qū)動模塊的核心芯片由3片微處理器MSP430f1222和 一片ATmegal6L構(gòu)成， 一片Msp430F1222、功率放大電路、光電編碼器反饋電 路組成運(yùn)動控制器，Msp430F1222與增量光電編碼器、電位計(jì)、PWM功率放大器都相連，并與蟹足關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)器通過并行接口相連；Msp430F1222、 PWM功率放大 器、電機(jī)M和電位計(jì)組成了絕對位置閉環(huán)檢測系統(tǒng)，而Msp430F1222、 PWM功率 放大器、電機(jī)M和光電編碼器通過光電編碼器接口形成增量位置、速度反饋閉 環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)控制器模塊通過并行通信接口與組織級的步行足協(xié)調(diào)控制器相連。
3、 一種兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制方法，其特征是步態(tài)規(guī)劃模塊根據(jù)傳感器提供的信息判斷機(jī)器人當(dāng)前狀況，之后根據(jù)所選 擇的坐標(biāo)系、機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，規(guī)劃出機(jī)器人下一個(gè)姿態(tài)各個(gè)關(guān)節(jié) 的角度；指令發(fā)送模塊將計(jì)算得到的各個(gè)關(guān)節(jié)角度以通信協(xié)議規(guī)定的指令格式， 按照一定的循環(huán)周期向下層各伺服控制單元發(fā)送；反饋中斷模塊的作用是，當(dāng) 各關(guān)節(jié)位置達(dá)到理想位置后向上位機(jī)傳送反饋信號，上位機(jī)中利用中斷接受這 個(gè)反饋信息，并啟動下一個(gè)位置命令的傳送；顯示模塊將機(jī)器人的狀態(tài)用LCD 液晶屏進(jìn)行顯示；無線遙控模塊用于機(jī)器蟹接收控制人員的決策命令，使其可 控。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制方法，其特征是整個(gè) 控制系統(tǒng)在開關(guān)打開開始工作后，第一步進(jìn)行系統(tǒng)初始化和各關(guān)節(jié)位置復(fù)位， 系統(tǒng)在初始化和各關(guān)節(jié)復(fù)位后，等待控制器指令，當(dāng)我們用無線遙控手柄或是 紅外遙控器發(fā)出執(zhí)行動作指令后，上層控制器接收指令信號，根據(jù)上層主控器 傳送的指令和數(shù)據(jù)控制電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作，并根據(jù)反饋的結(jié)果來確定是否執(zhí) 行完畢，然后等待下一指令，上層主控器傳送的指令到數(shù)據(jù)控制電機(jī)需要經(jīng)過 通訊中斷判斷程序、通訊中斷子程序后，將指令分解為8條步行足三個(gè)關(guān)節(jié)的 參數(shù)，執(zhí)行單關(guān)節(jié)位置伺服子程序就會根據(jù)各個(gè)關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)控制，通過 一個(gè)執(zhí)行判斷指令來控制程序最終是否執(zhí)行完畢；當(dāng)在整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行過程中， 人為無線遙控讓其運(yùn)動停止、改變運(yùn)動指令或是任務(wù)沒有最終完成都會返回指 令等待狀態(tài)；處于上層的主控器通過RS485給下位關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器傳送的指令 應(yīng)包括該關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)動角度和轉(zhuǎn)動的角速度等信息；而關(guān)節(jié)驅(qū)動控制 器通過RS485總線將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和步行足當(dāng)前狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)的反饋給上位機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種兩棲機(jī)械螃蟹的分級控制裝置及控制方法。其組成包括由以S3C44B0為核心ARM系統(tǒng)組成的上層組織級控制部分；由一片AVR單片機(jī)ATmega128L組成的協(xié)調(diào)級控制部分；由8個(gè)步行足驅(qū)動模塊，和一個(gè)多傳感器信號采集模塊構(gòu)成的執(zhí)行級控制部分；控制信號輸入上層組織級控制部分，協(xié)調(diào)級控制部分連接于上層組織級控制部分與執(zhí)行級控制部分之間，執(zhí)行級控制部分與關(guān)節(jié)驅(qū)動單元之間以485總線通信協(xié)議進(jìn)行通信。本發(fā)明以分級分配的設(shè)計(jì)原則將系統(tǒng)分為組織級、監(jiān)控協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級三級，各分布式控制器既可以獨(dú)立地工作，又可以通過通信線路與上級，或同級進(jìn)行通信、交換信息。這種遞階的結(jié)構(gòu)兼有了集中結(jié)構(gòu)和分布結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，全局與局部控制性能較高，運(yùn)行可靠。
文檔編號G05B19/418GK101216711SQ200810063819
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者劉德峰, 季寶鋒, 剛 王, 王立權(quán), 鄧輝峰, 陳東良 申請人:哈爾濱工程大學(xué)