轮式移动机器人伺服控制系统设计

可以保持的电机作为腿部关节使用。经过我初步估计电机转速不是很大，如果使用直流电机，由于转速和力矩的影响，需配置减速器，且不能控制角度。而如果使用步进电机，需配置驱动器。为满足系统的控制要求，考虑到经济性等，我准备采用Dynamixel系列AX-12舵机它是机器人专用的伺服电机。它不但能精确控制角度，作为关节角度控制；也可以通过软件设置为无限旋转模式，作为车轮使用。

　　3.3AX-12数字舵机概述及特性

　　舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20mS，宽度为1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。AX-12舵机是一款智能化、模块化的动力装置，主要由一个微处理器、一个精确的直流电机、齿轮减速器、位置传感器、温度传感器以及具备通讯功能的控制芯片等组成，其内部机械结构和电路控制如图4所示：

　　图4.1舵机内部结构和控制图

　　AX-12数字舵机作为舵机用时，最大转角为300度，作为电机用时可以自由旋转，应用范围广；采用数字信号控制，控制起来更方便;每个舵机都拥有唯一的ID号，采用网络驱动模式、Daisy总线连接方式，可以多个网状串连控制，连接方便。它的具体参数如表1.1所示。

　　表1.1舵机具体参数

　　项目参数项目参数

　　重量55g位移角度0-300°无限旋转

　　减速比1/254最小角度0.35°

　　工作电压7VDC-12VDC通讯半双工异步串行通信

　　工作温度-5-85摄氏度波特率7343bps-1Mbps

　　最大电流900mA指令包数字信号

　　输入电压7V10V物理连接TTL多通道（daisy总线）

　　最大扭矩12（Kgf？cm）16.5（Kgf？cm）材料工程塑料

　　转速0.269（秒/60°）0.196（秒/60°）反馈位置、温度、负载、电压等

　　由于AX-12内部配有一个ATmega8微处理器，用来接收控制器发送的数据包，通过相应的处理后给伺服电机发送PWM信号来控制电机的起停。因此，控制舵机实际上是去控制ATmega8舵机的状态和参数都存储在ATmega8的RAM和EEPROM相应的地址里，对舵机进行控制也就是对舵机的相应地址读和写数据的过程。

　　5AX-12舵机通信协议

　　AX-12数字舵机不像一般的R/C伺服电机（舵机）使用PWM控制，它的控制信号为数字信号，主控制器和舵机采用TTL-Daisy总线的连接方式、半双工异步串行通讯协议（（8位数据位、1位终止位，无奇偶校验位）。主控制器通过发送和接受数据包的形式来控制舵机，有两种数据包：一个是指令包，这是从主控制器发给舵机的指令;另一个是状态包，这是舵机返回给主控器的。如果主控器向ID为N的舵机发送指令包，则只有该ID的舵机会反馈相应的状态并且执行需要的动作。控制原理图如图5所示：

　　图5舵机控制原理图

　　6结束语

　　本文设计了一种轮式移动机器人运动控制系统：即基于伺服控制的移动机器人运动控制系统。本系统采用数控插补技术来跟踪轨迹，具有跟踪精度高等特点。选择了专门用于电机控制的DSP芯片，简化了设计，提高了模块的可靠性，并为今后控制算法的升级留有足够的空间。本文采用的移动机器人规划路径的航迹推算数学模型，它不同于传统的只对直线和圆弧离散，而对一次、二次曲线跟踪路径都可以作离散化处理。运动控制系统采用主从式控制结构，即由主机完成复杂计算，将处理后的数据传递给从机，由从机完成对小车本体的控制，方便地实现了步进电机控制。由从机执行的运动控制器，成本低，功能强，使用方便，而具有十分广阔的应用前景。