一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计(2)

一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

速齿轮的驱动电机固定在车架上,两个驱动车轮也分

别通过轴架固定在车架上。电机的输出轴驱动车轮。连接在电机上的圆光栅在电机运转时产生相位上相差90度的脉冲信号,通过对此脉冲信号进行检测和运算,就可得到AeroAcer的位置、速度等状态量。选用了500线的圆光栅,即电动机每旋转一周输出500个脉冲,由于采用33:1的减速齿轮,因此车轮每转动一周圆光栅将输出33×500=16500个脉冲,具有相当高的精度。选择圆光栅的目的在于:一方面将圆光栅产生的脉冲信号经过伺服放大器内的频压变换得到电机的速度用于速度反馈以形成速度闭环,同时还可以对脉冲信号经过计数、运算获得AeroAcer的位置和速度,简化了系统设计,节省了成本。由于直流伺服电机具有启动力矩大,动态性能好,调速范围宽和控制较为简单等一系列优点[2]。因此在AeroAcer中选用瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为驱动单元,包括带

了极大方便。

C8051Fxxx单片机是美国Cygnal公司新近推出的完全集成的混合信号系统芯片(SOC),具有与8051完全兼容的CIP251内核。此系列单片机具有如下优点:

(a)芯片采用流水线指令结构,70%指令的执行时间为1个或者2个系统时钟周期,具有高达25MIPS的速度,比标准8051快20倍以上。

(b)JTAG调试功能:支持在线系统、全速、非插入调试和编程,不占用任何片内资源。

(c)可靠的安全机制:有7种复位源,并可利用JTAG口编程加密芯片。

(d)强大的控制功能:有多达64位I/O口线,所有

的口线可以编程为弱上拉或推挽输出。更为独特的是具有数字开关阵列(DigitalCrossbar),可以将内部系统资源定向到P0、P1和P2,即可以把定时器、串行总线、外部中断源、AD转换输入、比较器输出定向到P0、P1和P2。

(e)多达22个中断源:为实时多任务系统的实现提供了保证[3]

。

有减速齿轮的直流电机、伺服放大器以及用作速度反馈和检测的圆光栅。电机可以工作在速度方式和力矩方式,可以运行在由速度和加速度决定的四个象限,从而可以在该装置上针对AeroAcer的运动学和动力学模型进行实验研究。其中,伺服放大器根据电机的转速或电流调整输出到电机的电压,从而控制电机的转速、力矩等。系统所使用的是ADS50/5伺服放大器

。

图2　控制框图

图1　机器人底盘结构

2　AeroAcer的硬件设计和功能概述

2.1　硬件设计

在设计过程中经比较,选用了C8051F005,控制

系统组成见图2。图中伺服放大器需要-10～+10V的电压控制信号驱动电动机以相应的速度反转或正转。而C8051F005的DAC口输出的电动机驱动信号为0～2.4V的单极性电压信号,因此须转化为相对应的-10～+10V双极性驱动电压以满足伺服驱动器的需要。电路如图3所示。

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