仿生四足机器人控制系统设计

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仿生四足机器人是-种典型的足式机器人，具有轮式或履带式机器人不可比拟的优势：该类机器人具有对复杂地面的良好适应能力；能够实现机身运动轨迹与足端运动轨迹的有效解耦从而保证机身运动稳定；在合理的步态规划下能够保证功率的最小损耗I”。然而，由于其腿部典型的开链结构和非结构化的应用环境，导致该类机器人对控制系统有着更高的要求口。此外，为保证机器人具有足够的自动化程度，要求机载控制系统能够实时地处理各种复杂环境反馈信息，并能准确地发出控制指令 。为了保证机器人达到良好的运动特性，-些早期的仿生四足机器人控制系统多采用移植了实时操作系统的工控机构成控制系统的核心，执行单元的驱动拈多采用通用器件搭建 。该类控制系统具有搭建简单、运行稳定的特点，但整个系统对主CPU的性能要求较高，且底层器件的集成程度低，会造成-定程度的功能冗余和额外的能量损耗。文献吩 别提出了结构类似的分层式的控制体系结构，对控制任务进行了分担，提高了系统实时性，但由于决策级由外部高性能PC实现，在-定程度上降低了机器人的自动化程度，同时也限制了机器人的应用范围。针对以上主要问题，结合实验室所研制的仿生四足机器人工作任务和作业环境的要求，研究了基于多个微控制器的仿生四足机器人复合式控制系统结构，设计了-套集成度高、体积孝功耗低 、实时性好的硬件控制系统平台。并基于此平台进行了相关功能的软件设计及实验验证。

2仿生四足机器人实验室所研制的仿生四足机器人配有陀螺仪、超卢波传感器、图像传感器以及 GPS定位系统，如图 1所示。具有足够丰富的环境信息采集系统。机器人采用前后对称分布的双二足结构，每条腿具有三个自由度，能够实现腿部的侧摆和弯曲动作。同时，各个关节的运动完全由电机和电动缸驱动，在保证机器人动力性来稿日期：2012-04-10基金项目：十二五重点预研项目(3020020221ll1)作者简介：苏晓东，(1987-)，男，吉林，在读硕士，主要研究方向：嵌入式控制技术；罗庆生，(1956-)，男，湖南，博士，博士生导师，主要研究方向：特种机器人技术、机电-体化技术第 2期 苏晓东等：仿生四足机器人控制系统设计 17能的前提下，能够达到减轻机械噪声、降低能源消耗、提高续航时间的效果。通过对多个电机的协调控制，能够在保证机身运动轨迹稳定的情况下，各足端形成有效的支撑面以适应凹凸不平的地面。由此而产生的机器人运动杼l生使得该机器人具有较高的运动灵活性和较强的地面适应能力。

图 1仿生四足机器人结构图Fig.1 Bionic Quadruped Robot Structure Chart3控制系统总体设计决策层规划层执行层图 2控制系统总体框图Fig.2 Overall Block Diagram of the Control System由于仿生四足机器人是-个复杂的多关节型机器人 ，要对其实施有效的控制，除了要对各步行足的三个驱动关节进行准确高效的控制外 ，各步行足之间还要相互协调，共同完成行进任务。

然而各步行足之间运动空间的相互重叠 、相互干扰形成了比较强的动力学耦合，使得控制模型相对复杂。为了实现机器人各关节的协调控制，将分层递阶控制系统和分布式控制系统相结合，构建了-种复合式控制体系结构。该复合式控制系统，既根据功能拈划分子系统，又根据指令优先级划分系统层次，控制系统结构框图，如图2所示。整个系统依据子系统的构成采用多 CPU协调工作的模式 ，在提高整个系统的响应速度的同时利于调试和集成。整个系统共划分为 个层级，每个层级由单 CPU或多CPU构成。决策控制器负责接收各种传感器信息，同时也负责远程操控指令的接收▲而，根据所获取的信息完成对机器人姿态的整体规划。规划层主要负责机器人步态的精确规划并将生成的相应动作指令发给底层电机驱动器，该层要求具有较高的实时性以保证环境信息反馈的有效性。执行层采用分布式的结构，单个关节运动控制器对应-个驱动单元，该层控制器将依据上层指令完成对电动缸或电机的伺服控制。三个层级之间依据相互关系特性，设计不同的通信方式。决策层和规划层通过-个双 El RAM实现数据的实时交换 ，以双口RAM构成的数据接口可以在两个处理器之间进行高速可靠的信息传输，并且该种方式还在-定程度上充分利用了系统资源。规划层的步态生成器与执行层的各个关节运动控制器-起构成了基于 CAN总线结构的控制网络，从而实现两层之间的信息有效传递。

4控制系统硬件设计4.1控制系统决策层子系统设计基于嵌人式ARM的小型嵌入式系统技术成熟，可靠性强，功能强大，能够满足系统实时性的要求；具有较大的温度工作范围，可扩展能力强；在体积上也能很好地满足仿生四足机器人的要求。鉴于以上特点，主控芯片选择某公司的$3C2440，属于 ARM9系列微处理器，其内核 ARM920T主频最高可达 533MHz。决策层子系统硬件结构，如图 3所示。ARM9处理器内嵌实时操作系统 RTLinux构成系统决策层，芯片内部丰富的资源在保证系统功能的同时减少了硬件设备所需尺寸空间。该子系统外设中设计了3个串口，分别用于程序测试，陀螺仪传感器拈的信息采集，以及与GPS拈的通信。JTAG接口用于系统仿真及程序下载，Wifi拈用于系统功能扩展。决策层初始化数据存放在外部 SD卡内，系统复位后自动读龋音频传感器和视频传感器分别由相应的语音接口和 USB接口来实现与系统的通信，另外红外传感器的信号由GPIO接入系统内部。当系统运行出现错误时，PWM接口将直接驱动蜂鸣器实现报警。决策层实时处理各种传感器信息，并进行实时运算，最终将控制指令通过双口RAM拈传输给步态规划层。

图3决策层硬件结构图Fig.3 Hardware Structure of Decision Layer4.2控制系统步态规划层子系统设计步态规划层要求控制器具有较高的运行速度，不但要能够根据上层指令实时生成机器人运动步态控制策略，同时要能实现与底层电机控制器的即时通信。FPGA强大的并行运算能力能够很好的解决系统实时l生的问题。在设计中，选择某公司的 CycloneI系列芯片EP2C8Q208构成步态生成器的主控单元。该芯片具有 8256个逻辑门阵列，内部配置有 2路锁相环(PLL)用来进行时钟管理，系统时钟频率最高可以达到450MHz，最大可使用引脚数量达l82个。其内部丰富的逻辑资源足够完成步态规划层的相关任务，并可在节省设计空间的基础上扩展上下层之间的通信拈。

步态生成器的硬件设计主要包括主芯片拈，电源管理拈，时钟拈，外扩内存以及相关的外部硬件接口。步态规划算法及通信接口控制器均在 FPGA芯片内部通过硬件语言实现。所开发的步态规划层核心板实物图，如图4所示。

18 机 械设 计 与制 造No.2Feb.20l3图4步态规划层硬件设计Fig.4 Hardware Design of Gait Planning Layer4.3控制系统执行层子系统设计在电机控制器的设计上，选用了某公司推出的数字信号处理器TMS320F2812作为核心微处理器。芯片的TMS320F2812除了具有其他DSP芯片所具有的强大运算能力和实时响应能力外，片内还集成了大容量的Ftash存储器和高速RAM，并提供了许多片内外设和接口，如 eCAN接口、A/D转换接口、事件管理器、编码器接口电路等。丰富的外设接口和硬件资源能够极大地提高机器人的空间利用 。该芯片工作时所需要的电压为 3.3V的 Flash电压和1.8V的内核电压，这在很大程度上降低了系统的能耗，为机器人的长时续航提供了-定基矗在电机驱动电路设计上，为了提高系统的稳定性，选择美国国际整流器公司生产的专用驱动芯片 IR2130，IR2 1 30可单独驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，从而使驱动电路简单可靠。在驱动电路和微控制器电路之问则通过高速光耦 6N 1 37进行光电隔离以提高系统的抗干扰能力。微处理器通过 CAN总线实现与步态生成器的通信。利用 TMS320F2812片内集成的事件管理器拈产生 PWM信号，控制电机的转动。电机编码器输出信号为差分信号，通过芯片 AM26LS32将 组差分信号转换为A、B、z三路1rrL电平信号，再接人微处理器的QEP拈接口上，实现对电机转速信息的采集。在驱动电路接人采样电阻，对电机的电流进行采样，并利用F2812内部的AD转换器将模拟量转化为数字量，提供给内核芯片，实现对电流环的控制 。如上所述，基于 DSP电机控制器总体框图，如图5所示。

图 5电机控制器总体框图Fig.5 Motor Controller Overall Block Diagram4.4控制系统通信拈设计4.4.1控制 系统双 口RAM设计设计中，决策层与观划层的通信通过双口RAM实现。双口RAM是在-个 SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线 、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。硬件设计上，双口RAM的控制器在 FPGA内部通过编写 Verilog程序实现，ARM通过相应的硬件驱动实现对双口RAM的访问。根据功能要求，利用FPGA的硬件资源建立-块数据存储区，用于实现两个控制器的数据交换，ARM将生成的决策指令存储在数据共享区内，并通知FPGA可以进行数据的读取操作，当FPGA取走相应数据后，通知 ARM可以进行数据的更新，从而保证控制数据的流畅性。

4.4.2控制系统 CAN总线通信设计步态规划层与电机控制器之间的通信采用CAN总线的形式。TMS320F2812片内集成了局域网通信控制器，支持完全兼容的CAN2.0B总线协议。该 CAN总线控制器最高支持 1 Mbps的总线通信速率，具有 32个可编程的邮箱，具有可选择的低功耗模式，可自动应答远程请求消息。为了使片上 CAN拈的电平符合高速CAN总线的电平特性，在 CAN拈和 CAN总线之H需要增加 CAN的电平转换器件 SN65HVD230。在步态生成器的 CAN总线通信端，需要通过 Verilog语言模拟 CAN2.0B的通信协议，同样的，需要通过外扩 片达到CAN总线的电平 配。最终，两控制器的 CAN总线实际连接，如图6所示。

图6 CAN总线接口硬件连接图Fig.6 CAN Bus Interface Hardware Connection Diag.al'n5控制系统软件设计仿生四足机器人控制系统是按照复合式控制系统构架的原则设计而成的，机器人的软件构架同样依据此设计原则进行拈化设计∝制系统软件主要由 部分组成：决策控制器软件，步态生成器软件以及执行驱动器软件。在各部分软件设计过程中遵循相应的控制逻辑，按照白底向上的设计准则，从底层向上实现各部分软件功能。决策控制器软件系统功能主要包括各类传感器信息的采集，并根据传感器信息内容进行数据融合，得出相应的控制决策；生成决策代码，并将其存储 双口 RAM的控制命令数据区；在运行状态数据区读取下层控制器运行状态参数。其主程序流程图，如图7所示。步态生成器软件系统实现的主要功能为双口RAM渎写功能，CAN总线控制器，CPG迭代计算。步态生成器在读撒策控制器的控制命令的同时把执行层运行参数反馈给决策控制器。CPG算法迭代拈则根据相应控制指令获得各个关节转角参数，并通过 CAN总线控制器将相应参数发送给执行层。其主程序流程图略。执行驱动器在实时获取运动指令的同时，对电动缸及电机实现闭环控制。在电机控制算法上，采 传统的 PI控制器，使关节位置控制具有很好的动态、稳态特性。电机控制子程序略。

NO.2Feb.2O13 机 械设 计 与制 造 19图7决策控制器主程序流程图Fig.7 Main Program Flow Chart of the Decision Controller6控制系统测试实验为了测试仿生四足机器人控制系统的性能，分别在搭建好的硬件平台上进行了 CAN总线的通信实验和无刷直流电机控制实验。在CAN总线通信测试实验中，FPGA相当于上位机，对各个 DSP发送步态信息。

因此，利用 CAN接口卡模拟整个通信过程。CAN接口卡上位机软件设置相应的通信速率为 1Mbps，采用扩展帧格式，具有 29位标识符。上位机软件和DSP中分别设置帧 ID为OxOOC80000。DSP通过 DSP在线仿真功能获得上位机数据，上位机发送 8个字节的数据，分别为OxO0，OxO0，OxO0，0xO1，0xO0，OxO0，OxO0，Ox08，DSP将数据分别存在两个 32位的无符号存储单元内，前 4个字节存在Recl中，值为1，后4个字节存在Rec-h中，值为8。测试结果，如图 8所示。该实验结果证明CAN总线通信网络工作性能稳定，数据传输可靠，能够满足控制系统要求。

图8通信测试结果 图9上位机测试平台Fig.8 Communication Test Results Fig.9 PC Test Platform要保证机器人能够稳定运行，必须保证驱动电机具有足够的响应特陛。在电机速度闭环拈，DSP根据电机末端的霍尔信号设置三相 PWM信号的关断，从而保证无刷直流电机稳定运行，同时，DSP根据霍尔反馈实现对电机速度的测量，进而构成速度闭环。

电机速度控制由普通的 PI控制器实现，其中Kp0.7，K，O.01，电机目标转速为 2000r/min。在电机速度闭环拈测试过程中，设计了相应的上位机测试平台，如图9所示。把测得的实时速度信息存储在Access数据库中，将该数据导人到MATLAB进行绘图，得到电机速度响应曲线，如图10所示。经过相应计算可知，响应曲线的上升时间为0.15s，稳态误差为±1%。从电机实际控制效果可看出执行层驱动器具有优秀的工作特性，能够满足系统要求。

2200200018001600- 14001200殛10008006004002000电机速度响应测试- ..· . . .- -- - 口 0 2 4 6 8 10 12 l4 16 18 20时间(s)图 l0电机速度响应Fig.10 Motor Speed Response7结论根据仿生四足机器人的机构特点和性能要求，构建了-种分层式控制系统结构与分布式控制系统结构相结合的复合式控制系统体系结构，设计了-套专用的控制系统硬件平台。该控制系统充分利用了各主控单元的高速运算处理能力和丰富的外设资源，各拈功能分配合理。通过相应的测试实验验证了该平台工作稳定，能够满足仿生四足机器人实际运动中的控制要求。