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1、湖面清扫智能机器人的控制系统设计1、引言机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，它作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式，把人从危险、恶劣的环境下解放出来等方面，显示出极大的优越性。在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、紧急救援、危险及恶劣环境作业、医疗康复等领域。进入21世纪，人们已经越来越切身地感受到机器人深入生产、深入生活、深入社会的坚实步伐。机器人按其智能程度可分为一般机器人和智能机器人。一般机器人是指不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能的机器人；
2、智能机器人是具有感知、思维和动作的机器人。所谓感知即指发现、认识和描述外部环境和自身状态的能力，如装配机器人需要在非结构化的环境中认识障碍物并实现避障移动，这依赖于智能机器人的感觉系统，即各种各样的传感器；所谓思维是指机器人自身具有解决问题的能力，比如，装配机器人可以根据设计要求为一部复杂机器找到零件的装配办法及顺序，指挥执行机构，即指挥动作部分完成这部机器的装配；动作是指机器人具有可以完成作业的机构和驱动装置。由此可见，智能机器人是一个复杂的软件、硬件综合体。机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。机器人控制是一项跨多学科的综合性技术，涉及自动控制
3、、计算机、传感器、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容。近年来，随着工业和其它服务行业的蓬勃发展，人们在重视其经济效益的同时却往往忽略了他们对环境的污染，人类赖以生存的水资源也不例外。水面污染对人类的水源构成很大的威胁，湖泊尤其是旅游胜地和市内人工湖泊，更是无法逃避漂浮物污染的厄运，举目可见各种日常消费品的包装物在湖面上漂浮。污染的加剧根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂
4、浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。也唤醒了人们的环境保护意识，因此为了人类的健康发展，人们强烈要求根治水污染。但是，水面污染的治理是一项艰难的长期任务，是全人类必须面对的共同问题。用人工清理水面漂浮物只是权益之计，有些危险水域人无法工作。很多发达国家致力于水面污染治理设备的研究，如石油清理设备，但只是用于大量泄露石油的清理。目前，我国研制的清理水面漂浮物的设备还未见报道，国外研制的也不多，并且价格昂贵，实现的功能也不尽人意。因此，开发一种
5、性能优良，价格便宜，操作简单，使用安全的自主式智能湖面清扫机器人已成为一种必要，而且有较好的市场前景。2、 机器人的运动控制 对于自由运动机器人来说，其控制器设计可以按是否考虑机器人的动力学特性而分为两类。一类是完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制。这类方法通常被称为“运动控制（KinematicControl）”，控制器常采用PD或PID控制。运动控制的主要优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速度高精度机器人来说，这类方法有两个缺点：一是难于保证受控机器人具有良好的动态和静态品质；二是需要较大的控制能量。另一类控制器设计方法通常被称为“动态
6、控制（Dynamic Control）”。这类方法是根据机器人动力学模型的性质设计出更精细的非线性控制率，所以又常称为“以模型为基础的控制（Model-base Control）”。用动态控制方法设计的控制器可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，然而由于各种动态控制方案中都无一例外地需要实时进行某些机器人动力学计算，而机器人又是一个复杂的多变量强耦合的非线性系统，这就需要较大的在线计算量，给实时控制带来困难。3、湖面清洗智能机器人的系统概述 湖面清扫智能机器人大体可以分为七个部分：船体，控制系统，动力驱动系统，视觉系统，语音控制系统，垃圾仓，各种传感器。现将各部分功能综述如下：(1)船体：主
7、体由双体船构成，船体中间有网状垃圾仓，仓后有一个电机来控制吸力装置，使两船体中间水流速度相对向后，漂浮垃圾随水流由船的前方经由两船体中间进入后方垃圾仓，完成垃圾的收集；(2)控制系统：以可编程DSP控制器为核心构成控制系统，接收视觉系统、语音控制系统、各种传感器等设备的输入信号，计算和输出多路控制信号，协调各驱动电机，并对系统状态进行监控；(3)动力驱动系统：湖面清扫智能机器人的动力源为蓄电池，由左右电机的速度不同来调整前进方向；(4)视觉系统：根据探测到的信息推测出前方物体为垃圾还是阻碍前进的障碍物，并在机器人需要返回回收点时判断回收点的位置；(5)语音控制系统：机器人可以接收语音命令，控制
8、机器人运行，停止，转弯等；(6)垃圾仓：暂时存放垃圾，当垃圾装满时，机器人要把垃圾倾倒在回收点。(7)各种传感器：红外接近觉传感器位于机器人主体前方，能够检测出障碍物的存在以及其它潜在危险，防止机器人主体与岩石或其它非漂浮物体相撞；光束中断传感器用来判断垃圾仓是否已满；光电编码器用于反馈机器人的运动速度。4、硬件总体设计 湖面清扫智能机器人控制系统的任务是根据输入的信息（传感器信息，视觉信息，语音信息等），控制电机完成相应的动作，从而使机器人达到收集湖面漂浮垃圾的目的。为了使清扫智能机器人在设计上更加合理化、规范化，应该采用专用的控制器为核心器件，使得系统具备独立的数据处理能力，能够独立控制机
9、器人运动。在综合考虑各方面因素的基础上，决定选择专用DSP控制器为核心器件。选用DSP芯片而不是比较廉价的普通单片机作为核心器件，主要是考虑到DSP芯片在电机控制领域广阔的应用前景。这种芯片是专门为电机控制系统设计的，具有丰富的片内配套外设模块，如ADC，PWM等，能够大大减少外围电路的设计难度，而且DSP芯片的数据处理能力是普通单片机无法比拟的。以DSP为核心的机器人控制系统总体结构如图1所示。 图1 机器人控制系统结构控制系统选用了TI公司的TMS320LF2407A DSP，它是专门为数字电机控制应用而优化的DSP控制器，该芯片卓越的处理能力及电机控制部件的集成使之为湖面清扫智能机器人控
10、制系统提供了更优秀的设计方案。电机则选择了易于调速的直流电机。机器人的电路系统是为控制系统服务的，是控制系统的实现平台。根据DSP控制器和机器人功能的设计要求，需要对机器人处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、SCI模块以及ADC模块的电路进行设置。控制器要求具有开放式、集成化、功耗小等性能，因此设计时，尽量选择功耗小的专用功能芯片代替集成电路的搭建。5、硬件模块设计 湖面清扫智能机器人的控制系统主要包括：处理器模块、电机驱动模块、速度检测模块、串行通信模块和ADC模块。5、1处理器模块5.1.1 TMS320LF2407A简介美国德州仪器有限公司（TI）的TMS320LF2407A DSP
11、是为了满足控制应用而设计的，它把一个高性能16位的DSP内核和片内外设集成在一个芯片上，体现了SOC（System On Chip）的技术发展趋势。其处理速度为40兆指令/秒，为诸多领域提供了先进的数字解决方案。DSP芯片内含有丰富的硬件资源，大大减少了用户硬件设计方面的工作，使得用户的主要精力放在编程上，实现电子设计的软件化。该DSP芯片有如下性能和特点：(1)由于采用了高性能的静态CMOS制造技术，因此该DSP具有低功耗和高速度特点，低功耗有利于电池供电的应用场合，而高速度非常适用于电机的实时控制。工作电压3.3V，有四种低消耗工作方式。单指令周期最短为25ns（40MHz），最高运算速度
12、可达40兆指令/秒，体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完成乘法、加法和移位运算。(2)TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。(3)由于采用了TMS320C2XX DSP CPU的16位定点低功耗内核，保证了与TMS320C24X系列DSP的代码兼容性，允许设计者从其它通用TMS320定点DSP上移植程序，降低了软件投资，缩短了开发周期。(4)片内集成了32K字的Flash
13、程序存储器、2K字的单口RAM、544字的双口RAM，因而使该芯片很方便地进行产品开发。可编程的密码保护能够充分地维护用户的知识产权。(5)提供外扩展64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字I/O端口的能力，外部存储器接口。(6)两个专用于电动机控制的事件管理器（EV），每一个都包含两个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比较单元产生PWM输出以及软件定的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式和连续增/减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器TxCMPR和一个PWM输出引脚TxPWM。每个通用定时器都可以独立地用于提
14、供PWM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形，因此，四个通用定时器最多可提供4路PWM输出。另外，EV还包括一个能够快速封锁输出的外部引脚PDPINTx，其状态可从COMCONx寄存器获得。(7)全比较单元。每个事件管理器模块有3个全比较单元（1、2和3（EVA）；4、5和6（EVB），每个比较单元各有一个16位比较寄存器CMPRx（对于EVA模块，x=1，2，3；对于EVB模块，x=4，5，6），各有两个CMP/PWM输出引脚，可产生2路PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制寄存器（ACTR）的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置不同的工作方式，可选择
15、输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。(8)正交编码脉冲电路。正交编码脉冲（QEP）电路可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码器的2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期的固定相位偏移，对输入的2路正交信号进行鉴相和4倍频。通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的正/反转，并据此对信号进行加/减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向，电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。(9)捕获单元。捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模块总共有六个捕获单元。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求。(10)可编程看门狗定时器，保证程序运行的安全性。(11)A/D转换模块。包括两个带采样/保持的各8路10位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。A/D转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。最快A/D转换时间为500ns。(12)控制器局域网（CAN）模块。是现场总线的一种，主要用于各种设备的监测及控制。(13)串行通信
