南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于DSP的全向运动控制系统软件设计Software Design of Omni-directional Motion Control System Based on DSP学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 96107031 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于DSP的全向运动控制系统软件设计 基于DSP的全向运动控制系统软件设计 摘 要 本文基于DSP C2000系列TMS320LF2407A核心控制芯片，以CCStudio V3.3软件为开发平台，在了解RoboCup中型组足球机器人和其他全向机器人的基础上，主要完成了全向运动控制系统的软件设计。通过对全向运动控制系统的研究，建立了三轴全向运动学数学模型，并对整体平移运动、原地旋转运动、边平移边旋转三种运动方式进行分析和数学建模；利用上位机，经无线模块发送运动方式和各种运行参数，控制运动系统实现各种运动模式；经全向运动控制系统软件的编写和与相关硬件联机调试，系统实现了预订的全向运动形式。通过试验验证和结果分析，各种运动状态的准确性已达到性能的基本要求。关键词 DSP；全向运动控制； 数学建模 ；MATLAB仿真 ；串行通信;软件设计Software Design of Omni-directional Motion Control System Based on DSP Automation Specialty LI HaiqingAbstract: This article is based on The TMS320LF2407A in the series of DSP C2000 as the control core chip and the software of CCStudio V3.3 as the development platform. It is basis on the understanding of medium-sized group about soccer robot in Robocup and other omnidirectional robot, mainly accomplish the software design of a Omni-directional Motion Control System. Through the research to the motion control system, motion control system was established to all three axis kinematics mathematic model, build the mathematical modeling and analysis three kind of movement ,which include the whole translation movement, spin around movement and edge translation and rotating.Using the PC, The wireless module to send the movement and a variety of operating parameters, control motion system to achieve a variety of motion modes; By the whole motion control system software to write and online calibration with relevant hardware, the system realized the omnidirectional movement we expected. Through the results analysis and experimental verification, the accuracy have already meet requirements of various sports state.Key Words: DSP; omnidirectional motion control; mathematical modeling; MATLAB simulation; serial communication；software design目 录1 引言11.1 全向运动控制系统发展现状11.2 本课题的研究意义及前景21.3 论文组织结构32 全向运动控制系统分析32.1 全向运动控制系统运动学模型建立32.2不同运动方式的运动特性52.2.1 平移运动52.2.2 原地旋转运动72.3.3边平移边旋转运动83 基于DSP的硬件系统简介83.1 控制芯片选择83.2 硬件系统结构图93.3 硬件系统基本模块104 系统运动控制的MATLAB仿真134.1 电机PID控制134.2 转速检测144.3 MATLAB仿真155 系统软件设计165.1 软件开发平台及仿真器165.2 运动控制软件设计185.2.1 主程序185.2.2 三种基本运动状态子程序195.2.3 电机控制子程序205.2.4 无线发送子程序205.3 上位机软件及通讯协议216 实验验证及结果分析226.1试验场地236.2 各项性能测试246.2.1 速度PID测试246.2.2 平移运动测试246.2.3 原地旋转测试256.2.4 平移+旋转运动测试266.3 影响因素分析26结束语28参考文献29附录30致谢42II基于DSP的全向运动控制系统软件设计1 引言随着机器人技术的日新月异，机器人应用领域也已从工业走向普通生活。机器人技术已经在人们的生活中越来越发挥着重要的作用。作为机器人中的全向运动机器人，有着其特殊的运动形式，即可以不改变姿势向任何方向运动，找到最佳位置。同时也可以边往某个方向运动，边调整自身的姿势达到最佳运动效果，可以在平面内完美的往任何方向做三自由度运动。全向运动机器人其高灵活度，势必会在机器人领域发挥不可代替的作用。在全向运动机器人中现阶段比较常见的是三轮结构和四轮结构（如图1所示）。通过控制各个轮子间相互协调运动达到全方位的运动效果，包括全方位平移、全方位边平移边旋转和原地旋转运动形式。图1 三轮和四轮的结构模型1.1 全向运动控制系统发展现状在机器人高速发展的今天，机器人的使用越来越广泛，如用于军事、勘探、工业和家居等等。中国要想变成世界强国，也必须重视起机器人技术。同时机器人技术不能只靠少量研究人员，必须从学生时代培养机器人技术。只有这样中国的机器人事业才会涌现大批的人才，能够加速机器人技术的发展。同时机器人技术本身是对电子技术的一个集合运用，从学生时代从事机器人技术的学习研究的过程，不但对机器人技术加速发展，还带动中国其它电子技术的发展，带动科技强国，科技富国。全向运动机器人是移动机器人中的一部分，其高灵活性和准确性越来越突出其优越性。现在在全向运动机器人方面使用较多的是RoboCup中型组足球机器人（如图2）。1997年成立于日本，足球机器人作为人工智能的一个重要组成部分，已是当前机器人研究领域最为活跃的领域之一1。RoboCup以机器人足球作为中心研究课题，通过举办机器人足球比赛，旨在促进人工智能、机器人技术及其相关学科的发展。RoboCup的最终目标是在2050年成立一支完全自主的拟人机器人足球队，能够与人类进行一场真正意义上的足球赛。RoboCup的最终目标是：到21世纪中叶，一支完全自治的人形机器人足球队应该能在遵循国际足联正式规则的比赛中，战胜最近的人类世界杯冠军队。要想实现足球机器人灵活自如的“踢足球”，传统的三轮和四轮结构移动不够灵活已经被淘汰，现在使用的是三轮和四轮结构配备全向轮的全向运动机器人。可以不做任何准备的情况下朝球移动，并且可以边移动边调整踢球姿态已达到最近效果。对然全向运动机器人有了很多，但是很多都在实验室，还不能在实际的环境使用，全向运动机器人还需要很长的时间发展。图2 RoboCup中型组机器人1.2 本课题的研究意义及前景随着机器人技术的发展，机器人从工业走进生活中。国外很多国家已经研制出很多全方位机器人，应用领域不断扩大，如导游机器人、导购机器人、电动轮椅、平稳的测量装置、医院巡视病房机器人和仓库作业机器人等。这些机器人很大程度上代替了人大劳动，提高了人的生活质量。如图3是三种全向机器人。全向运动机器人在社会服务、教育、娱乐、军事和环境探测领域都将发挥着不可代替的作用。其未来的应用前景将十分广阔2。图3 三种全向机器人1.3 论文组织结构 本设计内容安排分为6章，其各章节的内如安排如下：第1章：引言。介绍此课题的现状和未来发展前景。第2章：全向运动控制系统分析。建立全向运动数学模型，对模型进行力的分解合成，计算各种运动状态下各电机运动公式。分别分析了全向运动三种基本运动形式：平移运动、原地旋转运动、平移+旋转运动。第3章：DSP及相关控制系统。选择TMS320LF2407A为核心控制芯片，选择电机、驱动模块、显示模块、无线通讯模块、电源模块等等，组建硬件系统第4章：系统运动控制部分的设计和MATLAB仿真。根据系统运动形式计算好各个电机矢量速度，如何能让电机稳准快的执行设定的矢量速度是运送形式是否实现的关键。本设计采用传统的PID增量式控制方式及MALTAB仿真来实现。第5章：系统软件设计。根据建立数学模型及外设资源设计系统结构和系统流程图，通过CCS3.3编写系统程序，利用上位机和无线传输模块对机器人运动形式进行控制，其中也包括建立简单的无线通讯协议。第6章：试验验证及结果分析。通过前几章设计出了全向机器人，本章主要是通过试验验证各种运动形式是否达到要求，并对结果进行分析。2 全向运动控制系统分析2.1 全向运动控制系统运动学模型建立在引言中介绍了全向运动控制的几种结构，本设计选用三轮结构构建全向运动系统34。其结构图和实物付如图4所示 。 (a) 结构图 (b) 实物图 图4 全向结构图和实物图其中三个驱动轮的旋转轴互相成120 夹角，且驱动轮中心到整体系统中心的距离L1=L2=L3。为实现全向运动控制，首先对系统进行运动方式建模5，建立运动学模型。对全向机器人的运动学模型（图5所示）进行分析并对控制算法进行研究。要由图5中(a)图所示，小车运行在二维平面内，世界坐标系X-Y和机器人坐标系。为X与的夹角，为驱动轮与的夹角，驱动轮之