基于MSP430的機(jī)器人舵機(jī)控制軟硬件設(shè)計與開發(fā)開題報告

1、北京石油化工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目名稱：基于MSP430的機(jī)器人舵機(jī)控制 軟硬件設(shè)計與開發(fā) 題目性質(zhì)： 設(shè) 計 型 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 年 級： 2010級 指導(dǎo)教師： 2014年3月7日一、 選題背景、研究意義及文獻(xiàn)綜述1、選題背景機(jī)器人舵機(jī)的概念起源于對”舵模航機(jī)”的改進(jìn)。長期在各種教育娛樂機(jī)器人上大量使用的“舵模航機(jī)”可以實(shí)現(xiàn)位置伺服的功能；由于它具有高度集成、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、控制簡單、價格較低等特點(diǎn)，因此廣泛使用在各類教育娛樂機(jī)器人上。但是，“航模舵機(jī)”畢竟是用于航模的產(chǎn)品，用作機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服單元，有控制精度不高、無法整周旋轉(zhuǎn)、沒有反饋

2、信息、響應(yīng)較慢、線纜雜亂等明顯的不足。舵機(jī)控制系統(tǒng)是機(jī)器人中重要的組成部分，它的性能好壞直接決定著機(jī)器人的實(shí)時操舵性能。因此，舵機(jī)控制系統(tǒng)也隨著機(jī)器人的不斷發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步。對于舵機(jī)運(yùn)動控制器來講，主要任務(wù)就是通過總線接收嵌入式計算機(jī)的控制指令，根據(jù)操舵指令控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置控制。舵機(jī)，顧名思義，大海航行靠舵手，舵機(jī)早期是應(yīng)用在航模中控制方向的，在航空模型中，飛行器的飛行姿態(tài)是通過調(diào)整發(fā)動機(jī)和各個控制多面來實(shí)現(xiàn)的，后來有人發(fā)現(xiàn)這種機(jī)器的體積小、重量輕、扭矩大、精度高，由于具備了這樣的優(yōu)點(diǎn)，很適合應(yīng)用在機(jī)器人身上作為機(jī)器人的驅(qū)動。2、研究意義機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。在機(jī)器人

3、系統(tǒng)中,采用PWM波信號控制的舵機(jī)是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它是機(jī)器人控制動作的動力來源。為便于系統(tǒng)擴(kuò)展和升級,在飛控系統(tǒng)中往往采用分布式策略,將舵機(jī)的控制部分作為一個獨(dú)立單元進(jìn)行設(shè)計,稱為舵機(jī)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過大量的分立原件來實(shí)現(xiàn)的,所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不是很準(zhǔn)確,很難做到對舵機(jī)的精確控制。另外,利用CPLD或FPGA產(chǎn)生PWM波已在很多場合得到應(yīng)用,依靠CPLD或FPGA特有的并行處理能力和大量的I/O接口,可以同時控制幾十甚至上百個舵機(jī)同時工作,但CPLD或FPGA生成PWM波時,并不具備事務(wù)處理能力,實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU配合工作,加之成本高,開發(fā)設(shè)備昂貴,極大的限制

4、了它的應(yīng)用范圍。由于單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度高、價格低廉等特點(diǎn),用它產(chǎn)生PWM波在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。的利用MSP430單片機(jī)利用自帶的定時器產(chǎn)生PWM波的方法,成本低,性能穩(wěn)定,并成功應(yīng)用于實(shí)踐。3、文獻(xiàn)綜述最早出現(xiàn)于商代的船尾舵是中國古代在造船和航行技術(shù)方面的一項重大發(fā)明，其前身為船尾舵槳，在商朝已經(jīng)使用，用來控制船只的航行方向。出土于長沙、廣州和湖北江陵的漢代船只模型都有一個共同點(diǎn)，就是船尾都設(shè)有槳手，用來控制和操縱船的航行方向，這種設(shè)于尾部的槳通常稱為操縱槳，槳柄增長就成為艄（槳舵合一），用以控制船的航向。操縱槳在長期應(yīng)用中增加了槳葉的面積，便于控制船的方向，然后逐漸產(chǎn)生了

5、真正的舵。船尾舵的出現(xiàn)，在船舶發(fā)展史上是一件有重大意義的事件，舵結(jié)合風(fēng)帆和指南針就成為確保船只安全航行的三大條件。我國宋代以后出現(xiàn)的性能優(yōu)良的平衡舵，它把一部分舵面積分布在舵柱的前方，因而縮短了舵壓中心與舵軸的距離，減少轉(zhuǎn)舵力矩，使操縱更加輕便。同時，還把舵面做成扁闊的形狀，以增大舵面面積，提高舵的作用能力。類似的平衡舵，歐洲直到 18 世紀(jì)末、19 世紀(jì)初才采用。采用平衡舵，至今仍是船舶設(shè)計中降低轉(zhuǎn)舵力矩的一個最普遍和最有效的措施。早期的舵機(jī)是人力直接操縱或人力驅(qū)動增力裝置操縱的，船體較大或航行遠(yuǎn)洋時，如果遇到暴風(fēng)雨，就會出現(xiàn)操舵困難甚至有船毀人亡的危險。 十八世紀(jì)瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)后，船舶由帆

6、船時代進(jìn)入動力船舶時代，船舶越造越大，這對舵機(jī)提出了大功率和操舵位置由船艉向船橋移動而產(chǎn)生遠(yuǎn)距離操縱的要求，出現(xiàn)了蒸汽式舵機(jī)和機(jī)械式遠(yuǎn)距離操舵裝置，這種舵機(jī)一直應(yīng)用到二戰(zhàn)前后。電氣的發(fā)明為舵機(jī)帶來了新的突破，出現(xiàn)了電動舵機(jī)和電動液壓舵機(jī)。其中電動液壓舵機(jī)具有功率大，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，目前幾乎全部動力船都采用這種操舵方式。遠(yuǎn)距離操舵裝置也由機(jī)械式向易于操作的電子+液壓式發(fā)展。現(xiàn)代舵機(jī)主要有全電舵機(jī)、電動液壓舵機(jī)兩種。全電舵機(jī)受功率的限制主要應(yīng)用在小型漁船和游船上，而在大型艦船上均采用電動液壓舵機(jī)。電動液壓舵機(jī)按照轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)可分為雙柱塞缸拉普遜滑塊式、四柱塞缸滾輪式、擺缸式和轉(zhuǎn)葉式等四種舵機(jī)

7、形式。在船用機(jī)械中舵機(jī)液壓化的歷史是比較悠久的,日本川崎重工1從1942年開始生產(chǎn)電動液壓舵機(jī),目前已能制造和出售從印總噸小型漁船用到600000載重噸油船用的各種型號的舵機(jī).在此期間進(jìn)行了從低于加kgf/cm得2kgf/cm的高壓化、油船為中心的大型船(VLCC與ULCC級)吊桿的大型化和小型舵機(jī)遙控裝置的研制工作.最近又研制了與強(qiáng)化舵機(jī)規(guī)范相應(yīng)的新系統(tǒng)舵機(jī)和以船舶節(jié)能為目的的連續(xù)控制舵機(jī).舵機(jī)在機(jī)器人的應(yīng)用上也取得了非常大的發(fā)展。嘉應(yīng)學(xué)院2，基于單片機(jī)AT89LP4052的舵機(jī)控制器的設(shè)計。針對機(jī)器人舵機(jī)產(chǎn)生的PWM的穩(wěn)定和方便需求，提出利用AT89LP4052內(nèi)部集成的PWM單元來提供控

8、制信號。具體介紹了舵機(jī)的控制方法與舵機(jī)控制器系統(tǒng)的設(shè)計。通過滑動條來改變占空比系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明了單片機(jī)輸出的PWM波形。該P(yáng)WM輸出用于控制GWS-03T舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角,舵機(jī)轉(zhuǎn)角能平穩(wěn)該變,輸出準(zhǔn)確。河南工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所3, 一種基于IIC總線通訊的機(jī)器人舵機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計針對目前市場上己經(jīng)出現(xiàn)的以UART串口通信作為主從設(shè)備間數(shù)據(jù)交互方式的機(jī)器人舵機(jī)所存在的通訊指令編程復(fù)雜,數(shù)據(jù)交換量大,無法自動仲裁等問題,本文介紹了一種以護(hù)C總線取代UART通訊模塊的機(jī)器人舵機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計,并嘗試使用一種位置和轉(zhuǎn)速分時控制的方法來解決單片機(jī)同時對位置和速度兩項參量進(jìn)行數(shù)字PID控制時,由于計算量和內(nèi)存開銷量過大

9、造成的程序運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院4，對小型多自由度機(jī)器人舵機(jī)群控制系統(tǒng)設(shè)計。針對小型多自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的需求,提出一種高精度多路PPM信號生成方法。具體介紹了系統(tǒng)的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)方法。對多路PPM信號的生成方法和數(shù)據(jù)排序算法等系統(tǒng)的關(guān)鍵部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。測試結(jié)果表明,系統(tǒng)生成的24路PPM信號時間精度可達(dá)2us,精度誤差小于0.2 us 。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系5，基于AVR的蛇形機(jī)器人舵機(jī)控制。以蛇為模型簡化為多關(guān)節(jié)的蛇形機(jī)器人,是以舵機(jī)作為關(guān)節(jié)連接件.提出了利用AT-mega16L嵌入式微處理器產(chǎn)生6路PWM信號控制舵機(jī)的方法,并利用控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)了

10、舵機(jī)的5種調(diào)速,完成了蛇形機(jī)器人的蜿蜒運(yùn)動.博創(chuàng)科技6開發(fā)的 proMOTION CDS 系列機(jī)器人舵機(jī)，解決了傳統(tǒng)舵機(jī)用在機(jī)器人上的各種問題，同時繼承了傳統(tǒng)舵機(jī)的各種優(yōu)勢。CDS5500 機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與航模舵機(jī)對比）控制精度高。位置伺服控制分辨率可達(dá) 0.3 度。響應(yīng)速度快。響應(yīng)時間可達(dá) 2ms，而傳統(tǒng)航模舵機(jī)為 20ms。通過串行總線控制，可最多連接數(shù)百個單元；每個單元均具有位置、速度、力矩等反饋，用CDS 系列舵機(jī)搭建的機(jī)器人可以用人工示數(shù)來設(shè)定動作；即用戶用手調(diào)整機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)姿態(tài)，機(jī)器人舵機(jī)能夠自動記錄位置、速度等參數(shù)，并由用戶播放。不再需要一個關(guān)節(jié)一個關(guān)節(jié)地設(shè)置參數(shù)，不

11、再需要設(shè)置參數(shù)后再觀察關(guān)節(jié)是否到位、參數(shù)是否合適。能整周旋轉(zhuǎn)，適合用在機(jī)器人關(guān)節(jié)上，也可作為輪式機(jī)器人的動力驅(qū)動。具有強(qiáng)大的保護(hù)功能。可以限制電流、溫度等參數(shù)，如果溫度過高等可以報警或自動停機(jī)，防止損壞。CDS5500 機(jī)器人舵機(jī)的主要特色（與韓國機(jī)器人舵機(jī)7對比）運(yùn)行速度快。韓國 AX12+的最高轉(zhuǎn)速為 50rpm，博創(chuàng) CDS5500 為 72rpm。兼容傳統(tǒng)舵機(jī)尺寸和接口。CDS5500 可以直接替換傳統(tǒng)舵機(jī)，將使用傳統(tǒng)舵機(jī)的機(jī)器人升級為采用機(jī)器人舵機(jī)；而 AX12+結(jié)構(gòu)和通訊方式不兼容傳統(tǒng)舵機(jī)，用戶需要對結(jié)構(gòu)和控制器進(jìn)行大量修改。價格較低。CDS5500 的零售不含稅單價 240RMB

12、（含稅價 290RMB）。最近幾年國內(nèi)機(jī)器人開始快速發(fā)展，很多高校、中小學(xué)在進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)教學(xué)。小型的 機(jī)器人、模塊化的機(jī)器人、組件式機(jī)器人是教學(xué)機(jī)器人的首選。在這些機(jī)器人產(chǎn)品中，舵機(jī)是最關(guān)鍵、使用最多的部件。舵機(jī)接受一個簡單的控制指令就可以自動轉(zhuǎn)動到一個比較精確的角度，所以非常適合在關(guān)節(jié)型機(jī)器人產(chǎn)品上使用。仿人型機(jī)器人就是舵機(jī)運(yùn)用的最高境界。未來機(jī)器人舵機(jī)由于計算機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)，機(jī)械，控制等各個領(lǐng)域的飛速發(fā)展。控制器會越來越可靠，精準(zhǔn)，舵機(jī)的體積也會越來越小。操作，控制會越來越簡便，越來越先進(jìn)。綜上所述，目前在機(jī)器人舵機(jī)方面從事研究的專家和學(xué)者比較多，他們提出的有些控制方案也比較成熟，但是針對不

13、同硬件結(jié)構(gòu)和控制精度的要求，其控制的方案也不盡相同，需要針對自身特點(diǎn)提出有針對性的控制方案方案來實(shí)現(xiàn)對精確、實(shí)用控制的目的。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 2.1主要研究以下方面的內(nèi)容：1、機(jī)器人舵機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計2、高精度多通道PWM信號生成方法3、機(jī)器人舵機(jī)的硬件電路設(shè)計、制作4、機(jī)器人舵機(jī)的軟件調(diào)試5、機(jī)器人舵機(jī)的硬件搭建與調(diào)試2.2擬解決的主要問題：1、控制方案和硬件的選擇2、編程語言的選擇與實(shí)現(xiàn)3、舵機(jī)控制器接口設(shè)計4、機(jī)器人舵機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)三、研究步驟、方法 1、上網(wǎng)查找相關(guān)的資料，了解國內(nèi)外的研究情況。2、在圖書館查找期刊、雜志等資料，設(shè)計能實(shí)現(xiàn)要求功能的硬件電路，然后對硬件電

14、路進(jìn)行仿真與調(diào)試。3、確定控制算法，編寫控制主程序，以及各模塊功能的控制程序，并配合所用硬件進(jìn)行軟硬件調(diào)試運(yùn)行。4、系統(tǒng)功能測試及軟件程序修改。四、研究工作進(jìn)度第一周 熟悉題目、查閱文獻(xiàn)資料 第二周 調(diào)研，資料收集第三周 調(diào)研，資料收集第四周 控制方案論證、寫開題報告第五周 系統(tǒng)總體分析設(shè)計第六周 系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計第七周 系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計與仿真、調(diào)試第八周 控制算法設(shè)計第九周 系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計、上機(jī)編程第十周 上機(jī)編程、調(diào)試第十一周 與硬件系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試第十二周 系統(tǒng)功能測試第十三周 初步驗(yàn)收，測試第十四周 測試，修改第十五周 驗(yàn)收第十六周 編寫論文五、 要參考文獻(xiàn)1 徐玉韓 基于AVR的舵機(jī)控制器設(shè)計 2 吳華波 基于單片機(jī)AT89L