來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：雷 勇 馬偉富 涂國強
摘要：根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和運動要求，設(shè)計并研制了基于PC機和DSP的主從計算機控制系統(tǒng)。闡述了該控制系統(tǒng)中DSP控制器的工作原理，給出了自適應(yīng)LMS算法程序。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。
關(guān)鍵詞：DSP 變幾何桁架機器人 濾波器 LMS算法
八面體變幾何桁架機器人是通過八面體機構(gòu)中可伸縮構(gòu)件的長度li(i=1,2,…，6)變化實現(xiàn)桁架機構(gòu)運動的機器人。它具有剛度大、承載能力強和靈巧性好等特點，并能設(shè)計成可折疊機構(gòu)。

本文根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和工作牧場 生，提出基于TMS320VC5410 DSP的微動機器人控制系統(tǒng)方案，并研制出相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

1 微動機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和工作特性，采用如圖1所示的主從計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC機作為主控計算機，實現(xiàn)人機交互功能和運動軌跡的規(guī)劃；以六個TMS320LC5410 DSP芯片對機器人的六個壓電陶瓷微位移器進行控制。

系統(tǒng)中各部分的功能如下：
（1）主計算機
直接接收外界的控制命令和參數(shù)，對機器人位置進行實時監(jiān)控并顯示信息；向下級DSP控制器發(fā)出各種控制命令等。

圖3

（2）DSP控制器
接收主計算機送來的命令和相應(yīng)的位置信息，實時檢測被控壓電陶瓷微位移器的狀態(tài)值；依據(jù)給定量和實際檢測量的差值進行控制策略的計算，以求出被控對象應(yīng)有的控制信息。
（3）應(yīng)變計和A/D輸入
系統(tǒng)中壓電陶瓷的位置反饋信號來源于貼在彈性變形體上的電阻應(yīng)變片的電壓，此電壓經(jīng)精密運算放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路送入到DSP內(nèi)部。
（4）D/A輸出和驅(qū)動電源
DSP控制器輸出的數(shù)字信號要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M電壓信號，并經(jīng)功率放大驅(qū)動壓電陶瓷。系統(tǒng)中采用自制的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

2 DSP控制器工作原理
在對壓電陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作為處理器，加上外圍電路（A/D和D/A）構(gòu)成DSP應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對微位移器的閉環(huán)控制，如圖2所示。該系統(tǒng)是一個獨立的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，外部配有64K×16位SRAM，可作程序或數(shù)據(jù)存儲器用；128K×8位FLASH（閃存）E2PROM，存放程序和常數(shù)。在boot loader方式下，把E2PROM中程序安裝在TMS320VC5410程序SRAM中，并接著運行該程序。該系統(tǒng)配有USB接口芯片，通過1K×8位的雙向FIFO與TMS320VC5410 DSP進行通信。該USB芯片是一個從USB接口芯片，可直接與PC機或筆記本電腦進行高速數(shù)據(jù)傳輸。
另外，本系統(tǒng)還采用TLC320AD50C芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C內(nèi)部有一路A/D和D/A，字長16位，最高采樣率為22.05kHz。TMC320AD50C使用過采樣（OverSampling）的∑-Δ技術(shù)提供從數(shù)字至模擬（D/A）和模擬至數(shù)字（A/D）的高分辨率低速轉(zhuǎn)換。該器件包括兩個串行的同步轉(zhuǎn)換通道（用于各自的數(shù)據(jù)方向）；在DAC之前有一個插入濾波器（Interpolation Filter），在ADC之后有一個抽取濾波器（Decimation Filter）；其它的高級功能有片內(nèi)時序和控制。∑-Δ結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價格下實現(xiàn)高分辨率的模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。該器件的選項和電路結(jié)構(gòu)可通過串行接口進行編程。其選項包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、串行時鐘率、信號采樣率、增益控制及測試方式等。TLC320AD50C的工作溫度范圍為0℃～70℃，適用于一般工業(yè)機器人的工作環(huán)境。圖3為TMS320VC5410與TLC320AD50C的連接電路。

圖5

在機器人工作環(huán)境中存在很多干擾，為提高機器人的抗干擾性能，在DSP中加入了濾波程序，濾波器結(jié)構(gòu)采用橫向FIR結(jié)構(gòu)，濾波方法采用自適應(yīng)濾波。在算法方面，雖然RLS算法效率高、向最佳估計值收斂得快，但比較復(fù)雜：LMS算法簡單而易于實現(xiàn)，能滿足本項目的要求，足以保證性能，所以選用LMS算法。在階數(shù)選取上，低則濾波效果不好，高則計算量大、不能滿足實時性要求。為此，在滿足實時性的前提下，同時兼顧濾波效果也盡可能好，經(jīng)實驗選取濾波器階數(shù)為32階。濾波器基本算法如下：
①for(k=0,k<32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k)
②e(n)=d(n)-y(n)
③for(k=0,k<32,k++)w(k)+ μ*e(n)*x(n-k)
算法程序流程如圖4所示。
圖5（a）為濾波前的信號，圖5（b）為加入高斯噪聲的信號，圖5（c）是經(jīng)過32階FIR濾波器進行自適應(yīng)濾波后的信號波形�？梢娔芎芎玫厝ルA干擾，取得比較好的濾波結(jié)果，提高了機器人的抗干擾性能。

來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：雷 勇 馬偉富 涂國強
摘要：根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和運動要求，設(shè)計并研制了基于PC機和DSP的主從計算機控制系統(tǒng)。闡述了該控制系統(tǒng)中DSP控制器的工作原理，給出了自適應(yīng)LMS算法程序。實驗結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。
關(guān)鍵詞：DSP 變幾何桁架機器人 濾波器 LMS算法
八面體變幾何桁架機器人是通過八面體機構(gòu)中可伸縮構(gòu)件的長度li(i=1,2,…，6)變化實現(xiàn)桁架機構(gòu)運動的機器人。它具有剛度大、承載能力強和靈巧性好等特點，并能設(shè)計成可折疊機構(gòu)。

本文根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和工作牧場 生，提出基于TMS320VC5410 DSP的微動機器人控制系統(tǒng)方案，并研制出相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

1 微動機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)八面體變幾何桁架微動機器人的結(jié)構(gòu)特點和工作特性，采用如圖1所示的主從計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC機作為主控計算機，實現(xiàn)人機交互功能和運動軌跡的規(guī)劃；以六個TMS320LC5410 DSP芯片對機器人的六個壓電陶瓷微位移器進行控制。

系統(tǒng)中各部分的功能如下：
（1）主計算機
直接接收外界的控制命令和參數(shù)，對機器人位置進行實時監(jiān)控并顯示信息；向下級DSP控制器發(fā)出各種控制命令等。

圖3

（2）DSP控制器
接收主計算機送來的命令和相應(yīng)的位置信息，實時檢測被控壓電陶瓷微位移器的狀態(tài)值；依據(jù)給定量和實際檢測量的差值進行控制策略的計算，以求出被控對象應(yīng)有的控制信息。
（3）應(yīng)變計和A/D輸入
系統(tǒng)中壓電陶瓷的位置反饋信號來源于貼在彈性變形體上的電阻應(yīng)變片的電壓，此電壓經(jīng)精密運算放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路送入到DSP內(nèi)部。
（4）D/A輸出和驅(qū)動電源
DSP控制器輸出的數(shù)字信號要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M電壓信號，并經(jīng)功率放大驅(qū)動壓電陶瓷。系統(tǒng)中采用自制的壓電陶瓷驅(qū)動電源。

2 DSP控制器工作原理
在對壓電陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作為處理器，加上外圍電路（A/D和D/A）構(gòu)成DSP應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對微位移器的閉環(huán)控制，如圖2所示。該系統(tǒng)是一個獨立的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，外部配有64K×16位SRAM，可作程序或數(shù)據(jù)存儲器用；128K×8位FLASH（閃存）E2PROM，存放程序和常數(shù)。在boot loader方式下，把E2PROM中程序安裝在TMS320VC5410程序SRAM中，并接著運行該程序。該系統(tǒng)配有USB接口芯片，通過1K×8位的雙向FIFO與TMS320VC5410 DSP進行通信。該USB芯片是一個從USB接口芯片，可直接與PC機或筆記本電腦進行高速數(shù)據(jù)傳輸。
另外，本系統(tǒng)還采用TLC320AD50C芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C內(nèi)部有一路A/D和D/A，字長16位，最高采樣率為22.05kHz。TMC320AD50C使用過采樣（OverSampling）的∑-Δ技術(shù)提供從數(shù)字至模擬（D/A）和模擬至數(shù)字（A/D）的高分辨率低速轉(zhuǎn)換。該器件包括兩個串行的同步轉(zhuǎn)換通道（用于各自的數(shù)據(jù)方向）；在DAC之前有一個插入濾波器（Interpolation Filter），在ADC之后有一個抽取濾波器（Decimation Filter）；其它的高級功能有片內(nèi)時序和控制�！�-Δ結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價格下實現(xiàn)高分辨率的模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。該器件的選項和電路結(jié)構(gòu)可通過串行接口進行編程。其選項包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、串行時鐘率、信號采樣率、增益控制及測試方式等。TLC320AD50C的工作溫度范圍為0℃～70℃，適用于一般工業(yè)機器人的工作環(huán)境。圖3為TMS320VC5410與TLC320AD50C的連接電路。

圖5

在機器人工作環(huán)境中存在很多干擾，為提高機器人的抗干擾性能，在DSP中加入了濾波程序，濾波器結(jié)構(gòu)采用橫向FIR結(jié)構(gòu)，濾波方法采用自適應(yīng)濾波。在算法方面，雖然RLS算法效率高、向最佳估計值收斂得快，但比較復(fù)雜：LMS算法簡單而易于實現(xiàn)，能滿足本項目的要求，足以保證性能，所以選用LMS算法。在階數(shù)選取上，低則濾波效果不好，高則計算量大、不能滿足實時性要求。為此，在滿足實時性的前提下，同時兼顧濾波效果也盡可能好，經(jīng)實驗選取濾波器階數(shù)為32階。濾波器基本算法如下：
①for(k=0,k<32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k)
②e(n)=d(n)-y(n)
③for(k=0,k<32,k++)w(k)+ μ*e(n)*x(n-k)
算法程序流程如圖4所示。
圖5（a）為濾波前的信號，圖5（b）為加入高斯噪聲的信號，圖5（c）是經(jīng)過32階FIR濾波器進行自適應(yīng)濾波后的信號波形。可見能很好地去階干擾，取得比較好的濾波結(jié)果，提高了機器人的抗干擾性能。