輪式自動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)

　　傳感器采集模塊

　　傳感器采集模塊主要采集各種傳感器的信息并做初步的處理，采集過程由CPLD控制。此模塊在整個(gè)系統(tǒng)中十分重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到機(jī)器人定位的精度。傳感器采集模塊的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　傳感器采集模塊以CPLD為核心，可以采集多路模擬量、2路編碼器脈沖和16路開關(guān)量輸入。采集模塊中各傳感器的采集可以并行工作，由于采用了總線的結(jié)構(gòu)和CPLD的可編程特性，采集模塊可以很方便地根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行裁剪和擴(kuò)展。各采集模塊采集到的信息經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理后存儲(chǔ)在CPLD的內(nèi)部寄存器中。LPC2478通過SPI來訪問寄存器的內(nèi)容。由于只需要完成通信功能，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，僅對(duì)時(shí)鐘極性CPOL為0，且時(shí)鐘相位CPHA為1時(shí)的CPLD從機(jī)SPI通信模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

　　陀螺儀為角速度傳感器，安裝在機(jī)器人的對(duì)稱軸上，用來感應(yīng)機(jī)器人的角速度。陀螺儀輸出的模擬信號(hào)由16位并行AD芯片MAX1179轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，A/D的采集過程由CPLD控制。使用陀螺儀的主要問題是零位電壓漂移問題，CPLD對(duì)陀螺儀高速多次采集進(jìn)行均值濾波以減小這一誤差。

　　機(jī)器人的位移傳感器采用增量式光電編碼器。編碼器安裝在與主動(dòng)輪同軸的從動(dòng)輪上，與從動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。使用CPLD對(duì)編碼器輸出脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算機(jī)器人位移。

　　運(yùn)動(dòng)控制模塊

　　在陀螺儀精密傳感器的導(dǎo)航下，機(jī)器人走行電機(jī)的速度控制同樣要求十分精確。運(yùn)動(dòng)控制模塊用來精確控制兩個(gè)走行電機(jī)的速度，運(yùn)動(dòng)控制模塊由運(yùn)動(dòng)控制器、直流無刷電機(jī)和編碼器三個(gè)部分組成。主控模塊LPC2478通過PWM信號(hào)的占空比來控制電機(jī)速度，在編碼器信號(hào)和電機(jī)電流的反饋下，運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部集成的DSP在速度環(huán)、電流環(huán)和位置環(huán)三層閉環(huán)精確控制走行電機(jī)。

　　執(zhí)行動(dòng)作控制模塊

　　執(zhí)行動(dòng)作控制模塊控制機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要?jiǎng)幼饔猩?、手臂旋轉(zhuǎn)和抓取還有后部叉取。這些動(dòng)作主要由舵機(jī)和直流電機(jī)控制，舵機(jī)和直流電機(jī)的控制信號(hào)都使用PWM信號(hào)。執(zhí)行動(dòng)作控制模塊除了完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，還需要電位器、光電開關(guān)等傳感器來檢測(cè)動(dòng)作的完成情況。雖然LPC2478內(nèi)部集成12路PWM通道，但按照前面介紹的模塊化的設(shè)計(jì)思想，執(zhí)行動(dòng)作控制模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加靈活并且容易擴(kuò)展和剪裁。執(zhí)行動(dòng)作控制模塊采用NXP的LPC2114微控制器，主控模塊LPC2478通過UART發(fā)送動(dòng)作指令，執(zhí)行動(dòng)作控制模塊控制完成所有動(dòng)作。LPC2114產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過H橋電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。