智能搬运机器人设计

来源：年旅网

简易搬运机器人设计

摘要：该设计主要是针对第十届全国机器赛比赛要求设计，具有手动自动的搬运固定

物体的能力。大体分为机械部分和电子质控部分，机身采用铝合金框架结构，使用三角全向轮作为底盘，制控部分由DSP2812作为主CPU与下位机进行并行通信控制系统。

关键词：铝合金；全向轮；上位机；下位机；DSP2812；并行通信。

Manual Control Robot Design of Simple Handling Robotics

Abstract:The design is directed to rules of Tenth National Robotics Competition, witch has

manual operation and automatic operation.This robot roughly decompose mechanical parts and electronics parts. Aluminum cover all robot,it is base use triangle with mecanum.Control part use DSP2812 as the main CPU and lower CPU use mega128,use parallel communication contact main and lower.

Keywords:Aluminum; Mecanum; DSP2812; Lower CPU; Main CPU; Parallel Communication

1 前言 .............................................................. 1 1.1 选题背景 ........................................................ 2 1.2 设计的研究内容与意义 ............................................ 2 2 方案的设计 ........................................................ 3 2.1 总体方案的设计 .................................................. 3 2.2 运动控制 ........................................................ 4 2.2.1 全向轮结构和特性 .............................................. 4 2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘 ...................................... 5 2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录） .............................. 7 2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录） ................................ 7 2.3 电子功能模块的选择和特性 ........................................ 7 2.3.1 伺服器 ........................................................ 8 2.3.2 编码盘 ....................................................... 12 2.3.3 光电传感器 ................................................... 14 3 控制系统 ..................................................... 16 3.1 CPU的选择与软件控制 ............................................ 16 3.1.1 主CPU的选择 ................................................. 16 3.1.2 C28x系列芯片的主要性能如下 ................................... 16 3.1.3 DSP电源模块 .................................................. 18 3.2 下位机的功能简介 ............................................... 19 3.3 DSP的最小工作系统以及采样 ...................................... 19 3.3.1 DSP2812的最小工作系统原理图 .................................. 19 3.3.2 DSP对码盘的采样以及定位算法 .................................. 20 3.3.3 DSP对传感器采样 .............................................. 23 3.4 下位机的工作以及与主机通信 ....................................................................................... 25

3.4.1 升降机构 ..................................................... 25 3.4.2 抓取机构 ..................................................... 25 3.4.3 人机对话模块 ................................................. 27 3.5 DSP在线仿真的界面 .............................................. 30 3.6 AVR单片在线仿真界面 ............................................ 30 4 总结 ............................................................. 31 参考文献 ........................................................... 32 致谢 ................................................ 错误!未定义书签。

1 前言

机器人技术是一个国家的综合实力的重要体现，现在国际社会对机器人的发展越来越重视，从军用机器人到民用机器人[1-5]。机器人技术的更新日新月异。我国为发展机器人技术储备新兴力量与亚太传媒合作举行了亚太机器人比赛的国内选拔活动，该比赛需要机器人能自动识别场地路线，拾取目标搬运到指定区域，机器人必须有巧妙地机械结构设计和高性能的电子控制，对机电一体化要求很高[6]。针对这些要求机械部分我设计了能灵活移动的全向轮底盘，它可以在平面内向任何一个方位移动不需要机身转向，为了保证升降和抓取物体的稳定传动部分采用同步带传动。大部分的加工使用线切割和激光切割；电子制控部分为了实现多功能能联动和精确定位使用并行总线通信也就是一个主CPU采集传感器数据发送到并行总线上与多个丛机进行电机控制[7]。主CPU使用DSP2812芯片，它是拥有150M左右的高速运算能力和强大的采集数据功能。在程序方面为缩短研发周期大量使用模块化设计，这样不仅方便现场调试而且更新版本更加容易

[8-10]

。

1.1 选题背景

随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念[11-13]。

为了普及机器人知识，促进机器人技术的研究发展，世界上很多国家和地区纷纷开展了各种类型的机器人比赛。“亚太大学生机器赛国内选拔活动”是电视台负责组织的在全国高校范围内选拔代表中国参加“亚广联亚太地区机器赛”的预选赛。“亚广联亚太地区机器赛”的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从1988年开始，于19年成为日本NHK每年的赛事，命名为“全日本机器赛”。1990年第一次邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。该活动的宗旨是致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才。本次毕业设计的题目就来自电视台“亚太大学生机器赛国内选拔活动” [14]。

由于我校的参赛经验、制作水平的不足，成绩并不理想；在第6届比赛中，我校凭借良好的技术和灵活的作战策略，制作的灵巧机器人表现出色，杀入全国32强；第9届比赛我校凭借先进、稳定的技术和灵活的策略，拿到全国16强的好成绩。由于前五届比赛为我们积累了宝贵的开发经验，今年的开发和比赛工作进行得有条不紊，我们先后研制了十余台机器人，目前已经取得了国内选拔赛的冠军，在剩下的时间里，我们将根据

机器人在国内赛场上的表现，对其进行改进，为“亚太大学生机器赛”的国际赛作最后的准备[15-18]。

1.2 设计的研究内容与意义

随着微电子技术的快速发展越来越多的高智能产品诞生，我们的生产时间大大减少。大量具有特定功能的模块的产生使得电子研发周期大大缩短，领域也更加广泛。针对这次比赛设计的机器人就是将很多已经很成熟的模块进行拼装用软件将其有机的结合实现智能寻路和抓取物品。研究的主要内容就是如何对这些模块进行拼装和改进以及软件的程序编写[19]。大体可细化为以下几个方面：

1)．机器人机械结构设计：灵活的升降机构和抓取机构，在升降过程中除了有足够的力矩还要保持整个机体的稳定性使整体重心不超过允许偏离范围，抓取机构的工作部分要能很好适应不同尺寸的物体。机器人底盘在能灵活移动的前提下必须有良好的爬坡能力是其能爬上30度左右的斜坡。

2)．硬件模块的拼装：使用已有的功能模块进行组装必须使其相互兼容，这几就涉及到电源和信号的兼容，所以研发电频转换模块是该项目的一个重点

3)．控制部分：使用DSP2812对外界环境采样通过算法变成2-8位2进制数据发送给下位机进行工作。DSP2812是目前算法处理的尖端芯片，对它的使用也是一个漫长的学习和研究阶段。程序算法的开发是本项目的核心。

该项目的主要技术有广阔的发展前景，凡是需要智能定位的地方都需要这项技术，包括数控机床、自动包装机、太阳能系统等。

机器人尤其是机器赛的参赛机器人是需要机械和电路紧密配合的，巧妙的机械结构会减轻控制方面的难度并带来稳定性的提升；良好的控制和多种传感器的使用使得机器人的功能能够完全发挥。机械和电路两方面任何一方做不好都会影响到比赛机器人的最终效果。以往，做机械的队员，往往因为对电和各种传感器了解不多而设计不出好的机器人；做电路的队员，往往因为对机器人的机械特性不够而发挥不了机器人的性能。因此本人深感有必要在机电机构优化设计方面做一次深刻的探讨，本人的研究工作也正是机电结构的优化设计。但是对机电结构的优化设计往往是一点一滴的改进，很难系统地、大篇幅地做出叙述。本人尽力在各种零碎的改进中整理出条理。

本人工作主要是：

1)．对比赛规则的研究与分析，从而确定比赛机器人的研发、制作目标； 2)．在机器人制作过程中，对手动与自动机器人的结构进行优化与改进； 3)．在机器人调试过程中，提出机器人坐标定位的校正方法，打滑检测的方法，

障碍区分的方法等并在机器人上实现

[20]

。

2 方案的设计

2.1 总体方案的设计

总的方案设计如图1所示。注意箭头方向表示信号传输方向,具体的设计的PCB见附图1，实物图见附图2, 原理图见附录。

控制手柄 TMSF320F2812 编码盘光电开关

底盘电机伺服器 Mega32 Mega32 Mega32 伺服器舵机升降电机同步带齿盘曲柄摇杆三角底盘四杆机构执行部分

图1 总体方案设计图 Fig.1 Overall scheme design

文字说明：本机器人采用TMSF320F2812芯片作为上位机，通过编码盘和光电开关运算距离及准确定位，主芯片TMSF320F2812控制3个Mega32下位机。下位机1号Mega32通过控制1号伺服电机来控制底盘电机，从而控制三角底盘；下位机2号Mega32直接控制2号伺服电机，从而控制升降电机，控制齿盘，最终控制四杆机构；3号下位机Mega32通过控制舵机而控制同位带，从而控制曲柄摇杆机构，最终控制执行部分；下位机2号与3号，也通过控制手柄来控制；机器人正是通过3个Mega32的下位机分别管理底盘升降机构和曲柄机构，从而实现机器人在X、Y、Z轴三维空间的运动[21-23]。

2.2 运动控制

2.2.1 全向轮结构和特性

假设移动机器人具有刚性外壳,不变形的轮子,运动局限在平面上。则机器人在平面上的位置可以由图2表示。平面世界坐标系定义xoy ,点P 为在机器人本体上的参考点,车体坐

标系为X PY ,则机器人的位置和姿态可以由ξ= ( x , y ,θ) T 表示, 其中( x , y) 为点P 在平面世界坐标系中的位置,θ为世界坐标系下x 轴到机器人坐标系X 轴的角度, 逆时针为正. 用点P 来代表机器人,若能在平面世界坐标系下实现( x , y , θ) 三个自由度的运动,则称其为全方位移动机器人.

将轮子划分为传统轮系,包括固定方向轮( fixed wheel ) 、同心方向轮( centered orientablewheel) 和偏心方向轮(off2centered orientable wheel) ,和自由方向轮系,如Swedish 轮、球轮等. Swedish 轮也称Mecanum 轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为γ,通常夹角γ为45°,如下图所示，每个轮子具

图2 坐标图

Fig.2 Coordinates figure

有三个自由度, 一个是绕轮子轴心转动,第二个是绕滚子轴心转动,第三个是绕轮子和地面的接触点转动. 轮子由电机驱动,其余两个自由度自由运动. 由三个或以上的其Swedish 轮子可以构成全方位移动机器人。

图3 轮子图 Fig.3 Wheels figure

2.2.2 以全向轮为基础的三角底盘

为了使机器人能够快速的定位就需要有足够的灵活性，在使用全向轮作为动力轮的时候我们就必须考虑底盘形状的问题。底盘大体可分为三角底盘和四边形底盘它们的功能特性也有很大差别。

（1）四边形底盘：动力轮分布在底盘的四个方向两两同轴且相互垂直，轮心到P底盘重心O的距离都等于a如下图所示，假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3、f4,按照力学公式推导如下

∑Fx = f1 + f3

∑Fy = f3 + f4

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a) + (f14 * a)

图4 底盘重心图1 Fig.4 Chassis gravity map1

1).当f1=f2；f1与f2方向相同 f2=f4=0此时机器人向f1方向运动； 2).当f2=f4；f2与f4方向相同 f1=f2=0此时机器人向f2方向运动； 3).当f1=f2=f3=f4方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).当f1=f3=F1,f2=f4=F1，F1方向与F2相反此时机器人向F1与F2的合力方向移动。 (2) 三角形底盘：三角形底盘为等边三角形，动力轮分布在三条垂直平分轴线上，且到重心距离相等。假设每个轮子能提供的反向摩擦力分别为f1、f2、f3,按照力学公式推导如下：

∑Fx = f1 + f2*cos30° + f3*cos30° ∑Fy = f2*sin60° + f3*sin60°

∑Mo = (f1 * a) + (f2 * a) + (f3 * a)

图5底盘重心图2 Fig.5 Chassis gravity map2

1).当f3=f2；f3与f2方向相反f1=0，此时机器人向f3与f2合力方向运动； 2).当f1=2*f2=2*f3f2与f3方向相同f1=f2=0，此时机器人向f1方向运动； 3).f1=f2=f3方向一致时，此时机器人原地旋转；

4).此时如果依照四边形底盘第4种情况分析不能得到，能产生一个朝向任意方向的合力但无法使Mo =0这样机器人就会走出一个弧线。只有当合力方向在大约35°时Mo=0,也就是三角形底盘只能朝与水平线相差35°的斜线方向直线移动。综上分析两种底盘都能实现平移和走莫一方向斜线均可以满足设计需求。但是两者均有利弊必须进一步分析确定设计思路

我们可以看出行走方向可以通过软件程序进行补偿但是过定位的精度影响会对整个机体造成很大影响，走后我选择三角地盘的设计思路[24]。 2.2.3 升降机构的特性（结构简图见附录） 2.2.4 夹取机构特性（结构简图见附录）

2.3 电子功能模块的选择和特性

一台智能化的机器人不仅需要一个稳定可靠的机械结构更需要高性能的电子制控。制控可分为机器人底盘的定位和识别需夹取物体的坐标两大块。底盘的定位首先需要对距离的识别和保证电机的转动距离满足定位精度不会产生失步和打滑现象，再次就是要良好的控制性能模块化管理，最后就能简化程序编写。我们选择了伺服器和编码盘两种定位功能模块[24]。

2.3.1 伺服器

DCS810全数字直流伺服驱动器采用专用运动控制DSP 和高效MOSFET等先进技术。控制指令信号与步进驱动器兼容，用户不用更换控制器，就可将所用的步进驱动升级为全数字直流伺服驱动,并且控制的效果比原先选择的控制方式要高。由DCS810 组成的小功率运动控制系统在速度、精度、噪声和低速平稳性等方面达到甚至超越数字式交流伺服系统，而系统成本远低于交流伺服。其体积小巧、安装方便、可靠性高、调试简单。用户可通过雷赛Pro Tuner调试软件、文本显示器或STU伺服调试器轻松实现系统参数整定和保存[25-26]。

图6 DCS810 Fig.6 DCS810

(1) 适用范围

• 适合驱动有刷、永磁直流伺服电机，空心杯永磁直流伺服电机，力矩电机； • 最大连续电流10A，最大峰值电流20A； • 直流电源+12～38V；

• 功率400瓦以内，过载能力达800瓦； • 速度、位置的四象限控制。 (2) 主要功能

• 输入模拟信号进行速度控制； • 输入PWM信号进行速度控制； • 通过RS232口进行速度控制； • 通过RS232口进行位置控制；

• 输入脉冲、方向信号进行步进模式控制； • 外部零位信号输入； • 外部制动信号输入；

• 通过RS232实现PC控制、参数调整、在线监测； • 实时读取驱动器内部温度； • 过流、过载、过压、欠压保护； • 温度保护；

• 超调、失调保护，动态跟踪误差保护。 (3) 技术参数

表1 技术参数表

Tible1 Technology parameter table

参数电源电压 PWM开关频率

效率最大连续输出电流最大峰值输出电流硬件保护电流电源保险静态功耗（待机电流）

可控速度范围输出编码器电源

ICC

模拟输入端模拟信号速度控制

PWM控制

输入阻抗

信号标准

60 25

输入电压范围 ±10V 低电平0~0.3，高电平3~5

mA KΩ V V

标号 U fPWM

DS3810TE / DS3810T：20

Idauer Imax Ip 30 Iel 1~30000 VCC

95 10 20 26 A

115/12V，65/24V，45/38V

Rpm 5

% A A A mA VDC

参数值 12-38

DS3810E / DS3810：62.5

kHz 单位 VDC

续表

参数参数

标号频段占空比范围占空比＝50%

参数值 100~500 1%≤占空比≤99%

0 电机反转电机正转

800

最大电压为30V，电流5mA

低电平输出

低电平0~0.3，高电平3~5 低电平0~0.3，高电平3~5 低电平0~0.3，高电平3~5

200 V V

9600（2400、4800、19200）

256

小于-10℃或大于70℃保护；

单位 Hz RPM CCW CW KHz V V V KHz bps bytes ℃

步进脉冲最高频率

故障输出

占空比＜50% 占空比＞50%

fmax 集电极开路输出

有故障

逻辑电平

DIR 编码器输入

欠压保护

10.5

过压保护

通讯端口

RS232

内置存储器高低温保护

DS3810E/ DS3810TE

工作温度

DS3810/ DS3810T DS3810E/ DS3810TE

储存温度

DS3810/ DS3810T DS3810E/ DS3810TE

小于-40℃或大于85℃保护

-10 ~ +70 -40 ~ +85 -40 ~ +85 -55 ~ +125

℃ ℃

EEPROM DS3810/ DS3810T

逻辑电平逻辑电平最高频率

（4）接口定义，如图7所示。

（5）步进控制模式（脉冲＋方向模式）

a）信号来源：CLK，DIR

b）设置模式：步进控制模式，信号源：SCS3 c）常用指令：

• 设置最大速度：SSP ＋参数 • 设置最大跟踪误差：SER ＋参数 • 设置最大加速度：A ＋参数

图7 MLDS3810 Fig.7 MLDS3810

• 设置步宽：STW＋参数 • 读取步宽值：GSTW • 切换到步进模式：S e）工作原理

在步进模式下，脉冲输入端每接收一个脉冲，电机将运转一个步宽；这种工作模式能同时实现位置和速度控制。由于允许设置步宽（STW），输入频率和电机转速的比率可以根据需要设置。

• 转速与脉冲频率之间的关系如下：

转速＝脉冲频率X步宽（STW）X 60 ÷ 编码器分辨率（4倍线数） • 位置与脉冲个数之间的关系如下：

位置（圈数）＝脉冲个数X步宽（STW）÷ 编码器分辨率（4倍线数） f）优点（与步进电机比较）步宽可编程设定；

没有因齿槽效应而引起的转矩损失；具有优异的动态特性；

无震动，发热小；

采用闭环控制，不会产生“丢步”现象；

功率随负载变化动态调节，效率高（步进电机无论有无负载，均按最大功率运行）

表2 信号传递表

Table2 Signal transmission table

VDD VSS MOT+ MOT- GND TX RX AIN+ AIN- EN CLK/PWM DIR ORG BRAKE FAULT GND +5Vout A+ A- B+ B- GND 驱动器电源(＋12～38V)

驱动器电源地电机驱动信号正电机驱动信号负控制信号地

RS-232发送端 RS-232接收端模拟输入信号正模拟输入信号负

外部使能控制（高电平有效）控制输入（脉冲 / 脉宽）方向控制(只在步进模式有效) 位置清零（低电平有效）急停（低电平有效）故障输出（集电极开路）

控制信号地编码器正电源编码器信号A通道＋编码器信号A通道－编码器信号B通道＋编码器信号B通道－编码器电源地输入输入输出输出输入输出输入输入输入输入输入输入输入输入输出输入输出输入输入输入输入输出电源电机 RS232

控制信号

编码器

(6) 伺服器的运用

伺服器是一种电机驱动模块它采样与电机同轴的编码盘通过自身的PID算法能很的对电机的状态进行控制其中包括电机的转速与圈数，在收到电机停止信号时能很好的锁死电机使机器人能在任何时候迅速停止运行。它集成的过流过压保护能很好的保护电机延长只用寿命。我们运用他的强大功能能对机器人的速度和路程进行理论控制，为什么是理论控制呢？应为打滑和失步的影响会降低控制精度在后续的章节中会详细叙述如何使用传感器提高控制精度。 2.3.2 编码盘

(1) 编码盘结构与原理

编码盘或编码尺是一种通过直接编码进行测量的元件，它直接把被测转角或直线位移转换成相应的代码，指示其绝对位置。这种测量方式没有积累误差，电源切除后

位置信息也不丢失。工作原理：编码盘或编码尺是一种按一定的编码形式，如二进制编码，二—十进制编码、格莱码或余三码等，将一个圆盘或直尺分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置[27-29]。下面以接触式编码盘为例说明其工作原理。如图8所示是光电编码盘的基本工作原理，码盘是一个被雕刻出很多细小栅格的圆盘，光信号通过码盘有通光和不通光两种状态，狭缝后是一个光感原件当接收到光线照射就会产生电压信号，不通光时就处于截止状态，这样当接收到一个电压信号我们就知道码盘转了一个栅格从而达到计算路程的作用。

如图9所示是一个4位二进制编码盘，图中涂黑部分是绝缘的。码盘的外4圈按导电为“1”、绝缘为“0”组成二进制码。通常，我们把组成编码的各圈称为码道。对应4个码道并排安装有4个电刷，电刷经电阻接到电源正极。编码盘最里一圈是公用的，与4个码道上的导电部分连在一起，而与绝缘部分断开，该圈接到电源的负极(地)。编码盘的转轴与被测对象连在一起(如机床丝杠)，编码盘电刷则装在一个不随被测对象一起运动的部件(如机床本体)上。当被测对象带动编码盘一起转动时，根据与电刷串联的电阻上有无电流流过，可用相应的二进制代码表示。如图(b)所示，若编码盘沿顺时针方向转动，就可依次得到0000，0001，0100，…，1111的二进制输出。 (2) 编码盘的运用

编码盘随着转动发出一个频率变化的脉冲信号，该信号的频率可以表现此时机体的运动速度，脉冲个数可以变现所走过的距离，这样我们使用CPU采样这些脉冲信号就能对其很好的控制

图8 编码盘结构图1 Fig.8 Coding plate structure1

图9编码盘结构图2 Fig.9 Coding plate structure2

2.3.3 光电传感器

关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。 (1) 工作原理

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如图1所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。图10是德国SICK公司的部分光电开关外型图[30-31]。

图10 光电开关外型图

Fig.10 The photoelectric switch exterior figure

(2) 光电开关的分类[32]

①漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

②镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

③对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

④槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。

⑤光纤式光电开关：它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

它们的工作光线示意图如图11所示。

图11 工作光线示意图 Fig.11 Lighting schemes

3 控制系统

3.1 CPU的选择与软件控制

3.1.1 主CPU的选择

为了满足快速的运算和采样，我选择了DSP2812它是一款高速运算芯片主频率何以达到150M。TMS320C2000系列是美国TI公司推出的最佳测控应用的定点DSP芯片，其主流产品分为四个系列：C20x、C24x、C27x和C28x。C20x可用于通信设备、数字相机、嵌入式家电设备等；C24x主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动化、电力转换系统等。近年来，TI公司又推出了具有更高性能的改进型C27x和C28x系列芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入功能，从而拓宽了数字信号处理器的应用领域。

TMS320C28x系列是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 3.1.2 C28x系列芯片的主要性能如下

（1）．高性能静态CMOS（Static CMOS）技术

 150MHz（时钟周期6.67ns）

 低功耗（核心电压1.8V，I/O口电压3.3V）  Flash编程电压3.3V

（2）．JTAG边界扫描（Boundary Scan）支持（3）．高性能的32位处理器（TMS320C28x）

 16位×16位和32位×32位乘且累加操作  16位×16位的两个乘且累加

 哈佛总线结构（Harvard Bus Architecture）  强大的操作能力  迅速的中断响应和处理  统一的寄存器编程模式  可达4兆字的线性程序地址  可达4兆字的数据地址

 代码高效（用C/C++或汇编语言）

 与TMS320F24x/LF240x处理器的源代码兼容（4）．片内存储器

 8K×16位的Flash存储器  1K×16位的OTP型只读存储器

 L0和L1：两块4K×16位的单口随机存储器（SARAM）  H0：一块8K×16位的单口随机存储器  M0和M1：两块1K×16位的单口随机存储器（5）．根只读存储器（Boot ROM）4K×16位

 带有软件的Boot模式  标准的数学表

（6）．外部存储器接口（仅F2812有）

 有多达1MB的存储器  可编程等待状态数

 可编程读/写选通计数器（Strobe Timing）  三个的片选端（7）．时钟与系统控制

 支持动态的改变锁相环的频率  片内振荡器  看门狗定时器模块（8）．三个外部中断

（9）．外部中断扩展（PIE）模块

 可支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断（10）．128位的密钥（Security Key/Lock）

 保护Flash/OTP和L0/L1 SARAM  防止ROM中的程序被盗（11）．3个32位的CPU定时器（12）．马达控制外围设备

 两个事件管理器（EVA、EVB）  与C240兼容的器件（13）．串口外围设备

 串行外围接口（SPI）

 两个串行通信接口（SCIs），标准的UART  改进的局域网络（eCAN）

 多通道缓冲串行接口（McBSP）和串行外围接口模式（14）．12位的ADC，16通道

 2×8通道的输入多路选择器  两个采样保持器  单个的转换时间：200ns  单路转换时间：60ns

（15）．最多有56个的可编程、多用途通用输入/输出（GPIO）引脚（16）．高级的仿真特性

 分析和设置断点的功能  实时的硬件调试（17）．开发工具

 ANSI C/C++编译器/汇编程序/连接器  支持TMS320C24x/240x的指令  代码编辑集成环境  DSP/BIOS

 JTAG扫描控制器（TI或第三方的）  硬件评估板

（18）．低功耗模式和节能模式

 支持空闲模式、等待模式、挂起模式  停止单个外围的时钟（19）．封装方式

 带外部存储器接口的179球形触点BGA封装

 带外部存储器接口的176引脚低剖面四芯线扁平LQFP封装  没有外部存储器接口的128引脚贴片正方扁平PBK封装（20）．温度选择

 A：-40℃ ~ +85℃  S：-40℃ ~ +125℃

3.1.3 DSP电源模块

DSP使用的是3.3V电源，对电源要求很高，过大的电源噪声很容易是程序跑飞或者芯片烧毁，使用LM117稳压芯片能很好的解决这一问题如图12所示是该电源模块的原理图。

图12 电源模块的原理图

Fig.12 The power modules of the principle diagram

3.2 下位机的功能简介

下位机使用的是AVRMega128单片机他功能强大使用简便有很好的抗干扰能力，便宜的价格使它运用广泛，在本项目中我们只使用了它的通用IO口功能和硬件PWM功能，采样部分和算法主要交给DSP来完成。附图为下位机工作系统原理图。

3.3 DSP的最小工作系统以及采样

3.3.1 DSP2812的最小工作系统原理图

图13 DSP2812 Fig.13 DSP2812

3.3.2 DSP对码盘的采样以及定位算法

(1) 码盘采样接口部分与伺服器控制接口如14所示

图14 伺服器控制接口 Fig.14 Server control interface

(2) 码盘的采样

码盘的A象与B象会发出频率和幅值完全相同的PWM脉冲，他们相差90°当编码盘正转时当A象处于高电平B象为低电平，A象为低事B为高，编码盘反转时情况相反这样我们通过同时采样A象与B象电平信号就可以采样机体所运动的距离同时知道是前进还是后退。如上图所示QEP1为DSP的捕获硬件功能接口，其工作原理是当外部产生一个上升沿或下降沿的电平转换时捕获硬件会触发一个PIE级的终端信号通过打开PIE终端模块和CPU级终端使能程序会自动跳转至相应的终端向量地址进入终端服务函数此时我们就可以在该函数内赋值一个全局变量NUM记录捕获到的数据，QEP2为自己设定的IO功能口，在进如终端函数时通过判断QEP2的电平信号也就是B象是高还是低从而使NUM增加还是减少达到判断正反转目的，程序框图如15所示。

机器人选用的从动轮码盘由斯堪迪纳维亚建设公司生产2RMHF型编码盘，它是1000线的中空轴编码盘，输出A、B、Z三相脉冲。在电路实现上码盘的四路信号A，A，

B____，B可经过差分传输器形成两路信号，且这两路信号有90度的相差，也可以直接利

用有90度相差的A，B两路信号。在CPLD中用一路信号对另一路信号进行鉴相就可以知道码盘是正转还是在反转，正转时加计数，反转时减计数。

使用的码盘点数为1024，从动轮直径为250mm，当NUM计数到1024时就知道机器人前进了S当产生打滑或失步时就能通过对NUM的值判断其误差从而进行补偿

(3) 伺服器的控制

图15伺服器的控制图 Fig.15 Server control

除了对机器人行走路线的采样外还需要使机器人到达指定目标区域这就是CPU对伺服器的控制，在前面了解到伺服器的步进工作模式当它的CLK\\PWM口接受到幅值为5V的脉冲信号时此时电机就会运转，电机的转速由该脉冲信号的频率决定，频率越快电机转速越快当频率达到10K时相当于电机直接与24V电压相接，电机的转向由伺服器DIR端口控制，当为高电平时电机正转，为低时电机反转。电机所转圈数由脉冲个数决定，这样我们就能很好的控制电机的状态从而很好的控制极之人的路线。

(4) PWM产生模式

这里的PWM发生模式有两种一种是软件发出另一种是硬件产生。 (4.1) 软件PWM的产生

软件PWM产生是通过软件给以个IO赋值为高电平在延迟一定时间后转换为低电平以此循环，延迟时间就为该脉冲信号的频率，这样做的好处就是能很好的控制脉冲个数，我们使用的循环能根据开发者要求立刻跳出这样就能给伺服器我们做需要的脉冲个数。具体操作如下，如下程序GPIOF014口发送了100个频率为1K的脉冲

#include \"DSP281x_Device.h\" #include \"System.h\" Void main (void) {

Int i = 0 //设置脉冲个数变量 InitSysCtrl(); //系统初始化 EALLOW;//关闭IO口寄存器保护 GpioMuxRegs.GPFDIR.bit.GPIOF14=1;//设置IO F14口为输出口 GpioMuxRegs.GPFMUX.bit.XF_GPIOF14 = 0;// 设置IO F14使用第一功能

EDIS; //打开IO口寄存器保护 for (i=0;i<100;i++) { GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF14 = 1; Delay(100);//延迟函数

GpioDataRegs.GPFDAT.bit.GPIOF14 = 0; Delay(100); } }

(4.2) 硬件PWM的产生

硬件的ＰＷＭ产生是由ＤＳＰ的事件管理器中自带的定时器来控制，如下图定时器开始后会不停的计数，从０加到最大值后返回０继续计数，计数器增加的快慢由定时器分频器的值来决定，它把ＣＰＵ的时钟频率分频后使计数器的累加加快或减慢。这时我们设定一个比较值与之匹配，当计数器累加到这个值时就自动递减，递减到０后重复前面操作。当相应的ＩＯ口被设定为使用硬件功能时我们设定其电平跳变寄存器，让这个ＩＯ口在计数匹配时电压自动跳变：（１）由高到底（２）由低到高。这样就可以得到一个可以调整频率的脉冲信号。

图16 脉冲信号 Fig.16 Pulse signal

下面为ＰＷＭ硬件功能的具体操作，我们设置了DSP2812硬件功能口T2PWMP发出一个频率为1K的脉冲

EvaRegs.T2CON.bit.TMODE = 2;//连续增计数器模式 EvaRegs.T2CON.bit.TPS = 1; //输入时钟2分频 EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE = 0;//定时器停止 EvaRegs.T2CON.bit.TECMPR = 1;//定时器比较使能

EvaRegs.T2CON.bit.TCLD10 = 1;//比较寄存器重装与计数器值=0或=周期寄存器 //通用定时器控制寄存器A

EvaRegs.GPTCONA.bit.T2CMPOE = 1;//输出T12PWM-T12CAP由定时器2驱动 EvaRegs.GPTCONA.bit.TCMPOE = 1;//输出T12PWM-T12CAP由各自定时器驱动 EvaRegs.GPTCONA.bit.T2PIN = 2;//定时器2输出比较高有效 EvaRegs.GPTCONA.bit.T1PIN = 2;//定时器1输出比较低有效 //比较器控制寄存器

EvaRegs.COMCONA.bit.CENABLE = 1;//比较器使能

EvaRegs.COMCONA.bit.CLD = 1;//比较器TXCMPR重载条件（清0匹配重载） EvaRegs.T2PR = 5000;//设置定时器2周期值 EvaRegs.T2CMPR = 2500;//设置比较匹配值

EvaRegs.T2CON.bit.TENABLE = 1;//定时器2技术开始 (5) ＰＷＭ脉冲发生模式的比较选择

通过上述讲解我们知道了两种ＰＷＭ脉冲发生模式的，他们之间有优势也有劣势，综合评定得出以下结论：软件PWM模式程序简单容易控制，最大的优势是能很好的控制脉冲个数这样就能控制电机所转的圈数，但是很占用主函数运行时间，大部分的主函数都用于发生ＰＷＭ脉冲这样对其他传感器的采样就有很大影响尤其是对编码盘的采样；硬件PWM模式程序量大比容易控制脉冲个数但是他是硬件自动发出ＰＷＭ脉冲不占用主函数运行时间，我们想停止脉冲的发出就只要在主函数中写入停止定时器的语句就可以了，需要发出再打开就可以了，对于控制电机的转的圈数我们就依靠下面讲到的定位系统就能够完成了。

(6) 定位系统

由于当速度不为0时机器人忽然停止就会产生打滑现象严重影响定位精度，在速度从0忽然启动时同样也会打滑影响定位，所以我们在软件中加入加速和减速至的部分来减小打滑，但是速度路程曲线不可能是绝对的线性所以依然有“急停”和“忽然启动”致使产生打滑的现象，这时就需要码盘辅助定位大体思路如图15所示

假设需要从A点前进到B点 AB在一条直线山距离为S，伺服器到达指定目标所需脉冲个数为N,码盘发出n个脉冲信号。N,码盘发出n个脉冲信号。

如上图所示就可以很准确从A点移动到B点，当我们在机器人的平面坐标的X轴和Y轴个装上一个编码盘那么就可以很容的使机器人定位到平面内任意一个点上。其原理就是分别检测X、Y轴的码盘数据转化为任意一点的坐标值。具体程序见附录。 3.3.3 DSP对传感器采样

(1) DSP对光电开关的采样

根据上述讲解我们了解到光电开关可以判断前方是否有障碍物体还可以判断距离障碍物体的距离（根据不同信号的光电开关其灵敏度和检测距离不同）。我们考虑到信价比使用E3F-DS10C4 50检测距离为50厘米。

图17 示意图 Fig.17 Schemes

图18为光电开关与DSP的连接端口示意图，A、B为光电开关电源口，C为信号口，按照后面所说的依然需要电平的转换。

图18 光电开关与DSP的连接端口示意图

Fig.18 Photoelectric switch and DSP connection schemes

(2) 光电开关的辅助定位

当光电开关遇到障碍物时，只要该障碍物在其检测范围内，我们就可以从它的信

号端口得到一个电平的跳变，这样我们能知道前方有障碍物或者已到达指定目标区域。如果需要判断障碍距离做出相应调整只需要调整观点开关的检测范围就能实现，比如说一个50厘米的光电开关，我们需要在距离障碍物或者目标20厘米时做出一个调整动作，调整光电开关检测范围为0-20厘米这样在0-20厘米的范围内光电开关信号端口输

出高电平，超过20厘米输出低电平，在程序中检测相应采样端口的电平有没有发生从低到高的跳变就能知道机器人距离障碍物或目标是否达到20厘米处。相应的程序流程图如下。

把这个检测加入到这个定位系统中我们就可以在底盘地位完成后进一步检测机器人有没有碰到抓取目标的圆柱体基座处也可以判断爪子距离抓取物体的距离从而准确抓取目标物体。

3.4 下位机的工作以及与主机通信

本项目一共有3个下位机，分别控制升降机构、抓取机构、人机对话模块。 3.4.1 升降机构

升降机构使用的是与底盘一样的带有编码盘的空心杯电机带动齿轮盘转动完成升

图19 工作原理图1

Fig.19 Working principle diagram1

降，升降的高度有电机所所转圈数确定，使用形成开关辅助定位，具体思路如下，Mega128单片机发送需要的脉冲个数给伺服器从而使电机转动带动齿轮盘使四杆机构上升到理论高度，在齿轮盘的两个点上安装形成开关，这两个点一个为四杆机构上升实际高度所需转动的角度，一个为下降所需转动的角度。当理想脉冲发送完成后判定形成开关是否触发来判断是否达到需要高度。程序流程图如下。 3.4.2 抓取机构

抓取机构动力由舵机提供，带动同步带完成抓取，再由光电开关辅助定位。 (1) 舵机的控制

标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图21所示。

图20 工作原理图2

Fig.20 Working principle diagram2

控制原理是舵机收到1个脉冲以后，BA6688内部也产生1个以5K电位器实际电压为基准的脉冲，2个脉冲比较以后展宽，输出给驱动使用。当输出足够时候，马达就开始加速，马达就能产生EMF，这个和转速成正比的。

图21 舵机图

Fig.21 The steering gear figure

因为取的是中心电压，所以正常不能检测到，但运行以后就电平发生倾斜，就能检测出来。超过EMF判断电压时候减小展宽，甚至关闭，马达减速或者停车。这样的好处是可以避免过冲现象(就是到定位点还继续走,然后回头,再靠近) 如图22所示。

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成

图22 内部电路图 Fig.22 Internal circuit diagram

正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图23来表示。我们通过控制脉宽就能很精确的控制舵机转动的角度从而控制同步带所运动的距离来完成抓取。

图23 转角与脉冲宽度关系图

Fig.38 Angle with the pulse width relationship chart

3.4.3 人机对话模块

人机对话是计算机的一种工作方式，即计算机操作人员或用户与计算机之间，通过控制台或终端显示屏幕，以对话方式进行工作。操作员可用命令或命令过程告诉计算机执行某一任务。机器人上的计算机就是AVR单片机，使用操作手柄与单片机连接通过判断手柄上的开关量来判断我们需要机器人完成的任务具体流程如图24所示。

在上述流程图中为了实现多功能联动，也就是在升降的过程中可以同时调整底盘和对物体进行夹取，我们需要使用大量的中断和判断程序来完成，真样做研发周期长而且还有必须考虑到时序问题避免中断的套嵌导致整体程序跑飞。我们使用多个下位机控制单一动作就是为了解决这些问题，我们将手柄上的按键按照功能的分工连接到

启动底盘调整自动程序启动升降抓取停止锁死电机下位机判断开关信号处理后发送给功能模块经行相应动作系统启动伺服器带动电机运行自动程序运行升降电机运行舵机旋转相应角度系统暂停图24 流程图1 Fig.24 Flow chart1

相应的下为机上，这样做就是把他们相对避免判断和中断的套嵌，但是把他们完全隔离又无法实现系统的整体性。这就是下面要提到的并行总线通信模式，他就可以把不同功能的下为机相对，把处理后的信息发送给主机达到系统的一体化。

(1) 并行总线通信

并行总线通信就是把不同的下位机并联到一条总线上，该总线的另一端就是上位机，这样做是为了使不同的下位机工作不会相互影响同时与主机通信保持相互的联系。根据不同的数据需求并行数据有2位到16位多种模式，我们不可能让上位机留出如此多的借口来接受这些数据，所以我们就需要根据需要选择数据来行进处理，大致流程图如图25所示

主CPU 片选信号数据总线下位机A片选使能下位机B片选使能下位机C片选使能图25流程图2 Fig.25 Flow chart2

如上图所示主机按照需要发送片选信号，下位机片选被使能后打开通信端口与主机交换数据，主机通信端口为8个通用IO口，通过判断每个IO口电平信号来组成一个8位数据，在主程序中通过转换得到我们需要的数据进行下一步处理。原理图如41所示。 (2) 通信中的电平转换

在通信过程中由于DSP2812支持的最高电平信号为3.3V而单片机所发出的高电平信

号为5V这样一来就可能会使DSP工作在超压区域极容易饶怀芯片，所以在数据接口处我们使用了SN74LVCC3245A作为数据缓存器起到电平转换的作用，如图27所示VccA接3.3V电压和VccB接5V电压，A1-A8接DSP，B1-B2接单片机，其中DIR和OE为芯片控制端

图 26 电子原理图

Fig.26 Electronic principle diagram

口，如图所示当DIR与OE同时为高电平时数据从B端流向A端，此时A端接收的高电平均为3.3V，当OE为高，DIR为低时数据从A端流向B端，在B端接收的高电平均为5V，这样就达到我们需要的电平转换作用。

图27[a] 图27[b]

Fig.27 Voltage figure

3.5 DSP在线仿真的界面

DSP的仿真是CCS3.3它是TI公司针对C语言程序开发设计的高性能软件，CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能够加速开发进程，提高工作效率。如图28为CCS调试界面它能实时跟踪程序的运行和相关寄存器的变化，还能检测语言错误。

图28 操作界面图 Fig.28 Interface diagram

3.6 AVR单片在线仿真界面

嵌入式IAR Embedded Workbench®是一个非常有效的集成开发环境（IDE），它使用户

充分有效地开发并管理嵌入式应用工程。作为一个开发平台，它具备任何在用户每天的工作地方所想要的特性。主要界面见图28，嵌入式IAR Embedded Workbench IDE提供一个框架，任何可用的工具都可以完整地嵌入其中，这些工具包括： (1) 高度优化的IAR AVR C/C++编译器； (2) AVR IAR汇编器； (3) 通用IAR XLINK Linker；

(4) IAR XAR库创建器和 IAR XLIB Librarian； (5) 一个强大的编辑器； (6) 一个工程管理器；

(7) IAR C-SPY调试器，一个具有世界先进水平的高级语言调试器。

嵌入式IAR Embedded Workbench适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。嵌入式IAR Embedded Workbench有效提高用户的工作效率，通过IAR工具，用户可以大大节省工作时间。

在在线仿真时，可以通过JTAG把数据在仿真界面显示出来，数据包括变量的变化，寄存器值的情况如图29。在仿真的过程中可以进行单条语句的运行。这样的在线仿真的方式大大地提高了系统开发项目的效率。

图29 寄存器数值图

Fig.29 Registers numerical figure

(8) 高度优化的IAR AVR C/C++编译器； (9) AVR IAR汇编器； (10) (11) (12) (13) (14)

通用IAR XLINK Linker；

IAR XAR库创建器和 IAR XLIB Librarian；一个强大的编辑器；一个工程管理器；

IAR C-SPY调试器，一个具有世界先进水平的高级语言调试器。

5 总结

毕业设计是毕业前的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一次综合应

用。这一个过程对学生的学习能力和动手能力也是一个很好的锻炼机会。理论与实际相结合，不仅把课堂上学的有关知识与技能训练相结合，还起到引导学生了解和接触社会实际的作用。

经过一个多月的努力，本毕业设计接近尾声。通过这个毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且积累了许多电路设计、机械设计和程序编写的经验，认识到自动化的发展方向，使自己在大学四年所学的专业知识和动手能力有了很大的提高。

我在电路设计和机械设计方面的知识有很大的欠缺，所以在做毕业设计的过程中，遇到了许多的困难，但这些困难能让我更深刻地体会到，不断去学习和更新知识是很重要的。要想提升自己的能力，就必须亲自动手。只有在设计的过程中，不断地去解决所遇到的问题，不断地去积累自己的经验，才能在毕业之后更快地走上好的发展平台，为社会贡献自己的一分力量。

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