基于CAN总线和双传感器仿人机器人运动控制系统

四、控制器详细设计

控制下肢的闭环DSP控制器是整个控制系统的核心部分,承担着整个机器人的负载重量,输出功率大,对控制的精度要求也高,因此它的性能直接关系到机器人运动的实现。我们专门为之设计了基于双位置传感器的闭环DSP控制器,其结构如图4所示。

DSP主处理器选用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片,它是TI家族C2000系列中的高档产品,非常适用于工业控制。它的两个事件管理器功能尤为强大,完全是为电机控制设计的,可利用多个PWM脉冲通道直接产生需要的PWM脉冲控制信号;其CAN总线模块可以直接与主控计算机进行通信而不需要增加CAN总线控制器;外部看门狗可以对控制器电压进行监控;外部存储器中存放着控制算法所需的必要参数。

控制器的双位置传感器由电压输出传感器和光电码盘传感器组成。其中,电压传感器把轴系的位置信息转换成电压信号,经过放大电路放大,再经过专门的A/D转换器转换成数字信号送入DSP主处理器。不用TMS320LF2407A自带的A/D转换器而使用专门的A/D转换芯片,这是为了提高转换的精度,因为TMS320LF2407A的A/D转换器所能接受的最高转换电压只有3.3V,而经过功率放大后的电压远远超出了此范围,所以使用了专门的A/D转换芯片。这部分电路虽然增加了控制器的复杂程度,却可以大大提高转换精度,所以是十分值得的。码盘传感器把轴系的位置信息转换成脉冲信号,经过光电隔离器件隔离后送入专用脉冲计数器,计数后的信息送入DSP主处理器。脉冲计数器选用当今流行的CPLD器件,其强大的功能对提高控制器的性能有很大的帮助,同时还可以作为译码电路为主处理器提供译码功能。

主处理器通过对接收到的传感器信号进行分析和计算之后产生相应的PWM脉冲控制信号,经过光电隔离和功率放大后送给底层轴系控制轴系的运行。使用双传感器可以大大提高反馈的精度,两路信号可以同时考虑,也可以一路为主,另外一路提供补充和参考。

主处理器通过CAN总线与主控计算机进行通信,接收主控计算机的命令并把底层信息反馈给主控计算机,实现更高一级的反馈控制。主处理器通过CAN总线收发器连接到总线上,为提高精度,中间需要进行光电隔离。
该控制器直接安装在仿人机器人的体内,每个控制器可以同时控制6个关节轴系,整个下肢只需要两个控制器就可以实现其运动控制。

五、结论

我们在充分吸收当今相关学科高技术成果的基础上,设计出一套速度快、稳定性强、集成度高、结构灵活、使用方便的仿人机器人运动控制系统。整个运动控制系统可直接嵌入到机器人本体内,以便在实际运行中圆满地完成规定的控制任务。同时,该控制系统还有很强的扩展功能,可以方便地移植到其它类似的控制机构中去,是一种多功能通用型控制系统,具有广阔的应用前景。