自平衡人形機(jī)器人動作控制器的設(shè)計(jì)

動作控制器主要由3個(gè)MSP430F149并行工作，每個(gè)MSP430F149控制8個(gè)舵機(jī)，總共實(shí)現(xiàn)對24個(gè)舵機(jī)的控制。每個(gè)MSP430F149有定時(shí)器TA和定時(shí)器TB兩個(gè)模塊，其中定時(shí)器TA通過比較模式輸出2路PWM波控制2個(gè)舵機(jī)，定時(shí)器TB通過比較模式輸出6路PWM波控制6個(gè)舵機(jī)。而且定時(shí)器工作在比較模式下時(shí)，能在一次設(shè)置完成后，不需要CPU干預(yù)的情況下持續(xù)進(jìn)行PWM輸出，同時(shí)保證各路信號之間沒有干擾，因此一路比較輸出即可獨(dú)立控制一個(gè)舵機(jī)，動作控制器可實(shí)現(xiàn)對多達(dá)24個(gè)舵機(jī)的控制，對多關(guān)節(jié)人形機(jī)器人提供足夠的控制通道。
采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個(gè)控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點(diǎn)。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機(jī)程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動作控制器的設(shè)計(jì)方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機(jī)也沒出現(xiàn)死機(jī)或跑飛的現(xiàn)象。
MSP430F149輸出為3．3 V TTL電平，而舵機(jī)控制信號要5 V TTL電平，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換?？紤]到舵機(jī)的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點(diǎn)即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。
舵機(jī)動態(tài)工作時(shí)，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實(shí)驗(yàn)表明：由于舵機(jī)瞬時(shí)供電不足，致使舵機(jī)力矩不夠，運(yùn)動不能達(dá)到預(yù)先的姿態(tài)效果，在反復(fù)探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時(shí)大電流，由于舵機(jī)數(shù)量大，設(shè)計(jì)時(shí)在舵機(jī)電源處并接大容量電容，總?cè)萘?．22F×6。正常小電流工作時(shí)，電容被充電處于飽和，當(dāng)需要瞬時(shí)大電流時(shí)，電容能快速放電，從而保證舵機(jī)正常穩(wěn)定的工作。
3個(gè)MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機(jī)，這要求3個(gè)MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個(gè)MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。
1．2．2 軟件實(shí)現(xiàn)
動作控制器的軟件設(shè)計(jì)，是以硬件為基礎(chǔ)，接收主控制器的命令，對命令進(jìn)行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機(jī)進(jìn)行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實(shí)現(xiàn)流程。