CN101216711A - 两栖机械螃蟹的分级控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种两栖机械螃蟹的分级控制装置及控制方法。其组成包括由以S3C44B0为核心ARM系统组成的上层组织级控制部分；由一片AVR单片机ATmega128L组成的协调级控制部分；由8个步行足驱动模块，和一个多传感器信号采集模块构成的执行级控制部分；控制信号输入上层组织级控制部分，协调级控制部分连接于上层组织级控制部分与执行级控制部分之间，执行级控制部分与关节驱动单元之间以485总线通信协议进行通信。本发明以分级分配的设计原则将系统分为组织级、监控协调级和执行级三级，各分布式控制器既可以独立地工作，又可以通过通信线路与上级，或同级进行通信、交换信息。这种递阶的结构兼有了集中结构和分布结构的优点，全局与局部控制性能较高，运行可靠。

Description

两栖机械螃蟹的分级控制装置及控制方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种智能机器人的控制装置，本发明也涉及一种智能机器人的控制方法。具体地说是一种两栖机械螃蟹类多足机器人的控制装置及控制方法。

(二)背景技术

两栖机械螃蟹简介：机器人外形和功能以河蟹为生物原型，共有八只步行足，每只步行足有三个驱动关节；由二十四台伺服电机驱动，形成二十四个自由度。控制器采用DSP进行控制，整体被橡胶外套密封，模拟螃蟹多种行走步态，能在两栖环境下实现灵活的前行、侧行、左右转弯、后退等十四个动作。每只步行足都配有力传感器，来感知外部环境，检测足尖落地和步行足是否碰到障碍物等信息，为步行足的路径规划提供信息。系统的硬件构架采用嵌入式结构，以ARM系统、DSP芯片作为的核心控制器，完成复杂运动的规划和协调任务的运算。该系统采用红外线遥感、力觉传感器、视觉等传感器，运用多传感器信息融合技术，实时辨别外界环境，使具有较高的智能性。能够实现在沙滩、平地、草地、沼泽地、水下等环境前进、后退、左右侧行及任意位置、任意角度、任意方向转弯等。

两栖仿生机器蟹在复杂的两栖环境下行走，对控制系统有着较高的要求，为了使机器蟹能够完成一定的作业任务，首先要针对其机构特点和运动特点，分析机器人对控制系统的功能要求，建立硬件控制平台和规划软件结构。机器蟹是一个复杂的被控体系，其每条步行足都是一个多自由度的串联臂，要实现有效的控制，除对每条步行足的三个驱动关节准确高效的控制外，多条步行足之间还要相互协调，产生所需要的步态，共同完成某一确定工作，因而机器蟹在运动过程中所要处理的信息是极其复杂的，且要求是并行、分工明确的。

为实现机器人灵活的、全方位的行走，对其控制系统主要有以下要求：

(1)多自由度协调控制。机器人总共有24个驱动关节，无论是全方位的行走，还是多功能的实现，都是通过驱动关节间的协调运动来实现的，因此必须对这些关节进行协调控制，评价指标为各关节间位置、速度、加速度的协调精度。

(2)反应及时，实时性强，具有综合决策能力。机器人在运动的过程中，路面的状况和周围环境的情况都是随机的，针对这些意外事件，机器人必须能够及时反应，并作出合理的决策，否则将产生严重的后果，评价指标为控制器的运算速度，模块间的通信带宽。

(3)智能化，有较强的自治能力，尽量减少人的干预。与传统的自动机械以自身的动作为重点相比，仿生机器人的控制系统则更着重机器人本体与周围环境、操作对象的相互关系。

(4)易扩展，有增加控制点的能力。随着研究的深入，机器人可能需要增加一些能力，如对周围环境和自身状况的探测的智能模块，机器人不同路况的步态规划模块等，评价指标为控制系统的软硬件接口的冗余度

(5)提供友好的人机界面。界面是人与控制系统打交道的接口，通过它，一方面操作人员可以把自己的意图详尽地传达给控制系统，另一方面还可以知道机器人当前的状况，评价指标为实时性、信息量。

目前的机器人控制系统通常有两种基本的结构形式：集中结构和分布式结构。前者的优点是控制直接、有效性高、便于系统分析和设计；缺点是若控制中心有故障，则整个系统瘫痪，可靠性不高.后者是由主控制器连接若干分布式控制器，每个分布式控制器都有各自的控制对象和目标。其优点是局部的故障不至于影响全局，可靠性高；缺点是总体控制性能差，全局协调运行较困难。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种有效性高、便于系统分析和设计、局部的故障不至于影响全局、可靠性高、总体控制性能好、全局协调运行效果好的两栖机械螃蟹的分级控制装置。本发明的目的还在于提供一种两栖机械螃蟹的分级控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

两栖机械螃蟹的分级控制装置包括上层组织级、中层协调级和下层执行级三大部分；上层组织级控制系统主要由以S3C44B0为核心ARM系统组成，外围扩展包括无线数传模块SRWKF-108、红外遥控接口、Can通信接口MCP2510、RS232接口MAX232、液晶显示模块和Intenet以太网接口RTL8019AS；协调级控制系统由一片AVR单片机ATmega128L组成，它包括声纳环传感器信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统、变结构力觉传感器信息处理系统、步行足1协调控制器ATmega16L、步行足2协调控制器ATmega16L、步行足3协调控制器ATmega16L、步行足4协调控制器ATmega16L、步行足5协调控制器ATmega16L、步行足6协调控制器ATmega16L、步行足7协调控制器ATmega16L、步行足8协调控制器ATmega16L；执行级控制系统为模块化结构，由8个步行足驱动模块和一个多传感器信号采集模块构成，每一个步行足驱动模块包括三个驱动器：跟关节驱动器、股关节驱动器和胫关节驱动器；多传感器信号采集模块包括：声纳控制器Msp430F149、力传感器数据处理XC2S100和压力传感器数据采集Msp430F149；每个步行足系统自成一个模块，具体控制各步行足上各关节的运动，它由1片AVR单片机ATmega16L、3片TI的MSP430F1222单片机组成，ATmega16L主要负责电机伺服驱动器的通信和关节电位计的信号采集，MSP430F1222构成了每个步行足各关节电机的伺服驱动器，主要负责执行协调级发送过来的电机控制指令，对各关节电机进行伺服驱动。传感器模块主要由一片AVR单片机ATmega128L组成，负责对每条步行足上力信号的采集处理、超声波传感器阵列的信号采集以及新增外设的扩展。控制信号输入上层组织级控制部分，协调级控制部分连接于上层组织级控制部分与执行级控制部分之间，执行级控制部分与关节驱动单元之间以485总线通信协议进行通信。

本发明的两栖机械螃蟹的分级控制装置的步行足驱动模块的核心芯片由3片微处理器MSP430f1222和一片ATmega16L构成，一片Msp430F1222、功率放大电路、光电编码器反馈电路组成运动控制器，Msp430F1222与增量光电编码器、电位计、PWM功率放大器都相连，并与蟹足关节协调器通过并行接口相连；Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和电位计组成了绝对位置闭环检测系统，而Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和光电编码器通过光电编码器接口形成增量位置、速度反馈闭环系统，整个控制器模块通过并行通信接口与组织级的步行足协调控制器相连。

两栖机械螃蟹的分级控制方法为：

步态规划模块根据传感器提供的信息判断机器人当前状况，之后根据所选择的坐标系、机器人正运动学和逆运动学，规划出机器人下一个姿态各个关节的角度；指令发送模块将计算得到的各个关节角度以通信协议规定的指令格式，按照一定的循环周期向下层各伺服控制单元发送；反馈中断模块的作用是，当各关节位置达到理想位置后向上位机传送反馈信号，上位机中利用中断接受这个反馈信息，并启动下一个位置命令的传送；显示模块将机器人的状态用LCD液晶屏进行显示；无线遥控模块用于机器蟹接收控制人员的决策命令，使其可控。

整个控制系统在开关打开开始工作后，第一步进行系统初始化和各关节位置复位，系统在初始化和各关节复位后，等待控制器指令，当我们用无线遥控手柄或是红外遥控器发出执行动作指令后，上层控制器接收指令信号，根据上层主控器传送的指令和数据控制电机进行相应的动作，并根据反馈的结果来确定是否执行完毕，然后等待下一指令，上层主控器传送的指令到数据控制电机需要经过通讯中断判断程序、通讯中断子程序后，将指令分解为8条步行足三个关节的参数，执行单关节位置伺服子程序就会根据各个关节参数进行相应控制，通过一个执行判断指令来控制程序最终是否执行完毕；当在整个系统执行过程中，人为无线遥控让其运动停止、改变运动指令或是任务没有最终完成都会返回指令等待状态；处于上层的主控器通过RS485给下位关节驱动控制器传送的指令应包括该关节的转动方向，转动角度和转动的角速度等信息；而关节驱动控制器通过RS485总线将关节转角和步行足当前状态等信息实时的反馈给上位机。

本发明针对机械螃蟹控制的特点，提出分级递阶控制系统，该系统吸收了集中结构和分布式结构两种结构的优点。以分级分配的设计原则将系统分为组织级、监控协调级和执行级三级，各分布式控制器既可以独立地工作，又可以通过通信线路与上级，或同级进行通信、交换信息。这种递阶的结构兼有了集中结构和分布结构的优点，因而它的全局与局部控制性能较高，运行可靠。

本发明是根据两栖机械螃蟹复杂的控制系统要求，提供了一种基于分级递阶控制系统的两栖机械螃蟹的优化控制方法，它包括分层递阶控制装置及控制方法两部分，分层递阶控制装置和控制方法均采用组织级、监控协调级和执行级三级协调处理方式。这种控制方法适用于控制所有的多足机器人，分级递阶控制系统吸收了集中式和分布式结构的优点，具有有效性高、便于系统分析和设计、局部的故障不至于影响全局、可靠性高、总体控制性能好、全局协调运行效果好等特点。它以分级分配的设计原则将系统分为组织级、监控协调级和执行级三级，各分布式控制器既可以独立地工作，又可以通过通信线路与上级，或同级进行通信、交换信息。这种递阶的结构兼有了集中结构和分布结构的优点，因而它的全局与局部控制性能较高，运行可靠。图1为分级递阶控制系统结构示意图。

分级递阶控制基本原理：组织级代表控制系统的主导思想，具有最高的智能水平，涉及知识(电子地图)的表示与处理，并由人工智能(路径规划、集群协作)起主导作用，在运行过程中可人为干预，通过向机器蟹发送命令信息，可以人为改变其行走路径、协作策略；协调级为组织级和执行级之间的连接装置，涉及决策方式的表示，由人工智能和运筹学起主导作用；执行级是智能控制系统的最低层次，要求具有最高的控制精度，并由常规控制理论进行控制。

机器蟹的控制系统涉及到24个电机的协调控制、8组变结构力觉传感器的信号采集与处理、三轴位姿陀螺信号采集与处理、两栖仿生步态的生成、避障路径规划、人机交互、无线和红外通信的管理等，是一个非常庞大的系统。“分解”与“协调”是大系统控制最基本的设计原则。

分级递阶控制的方案被认为是目前实现大系统综合控制的理想方案，它有分散控制、分布式控制和递阶控制几种形式。机器蟹采用了分级递阶智能控制系统，主控单元与分布式关节驱动单元之间以485总线通信协议进行通信，这种分工明确、能够进行并行处理的分布式结构便于提高运算、执行速度和控制精度，其整体组成结构如图2所示：主控系统包括组织层、协调层、执行层三大部分，组织层包括主控制器、人机操作界面、各种环境状态的计算知识库和步态规则库，组织层负责人机交互、避障策略推算、步态生成等；协调层处于组织层与执行层之间，包括传感器分析模块、步态生成系统、单腿复合动作库以及各关节单元动作库，协调层负责任务协调；执行层包括超声波传感器、变结构力觉传感器、三轴陀螺以及各关节驱动器，执行层主要负责传感器的数据分析、步态生成，其处于控制系统的最底层，任务单一、分工明确，如：负责传感器信号采集、处理、精确控制电机等。

(四)附图说明

图1是分级递阶控制系统结构示意图；

图2是机器蟹分级递阶控制系统；

图3是机器蟹控制系统整体硬件结构；

图4是运动控制器系统构成；

图5是功放电路L6203接线图；

图6是光电隔离电路；

图7是辨转向电路及其波形图；

图8是无限数传模块应用原理图；

图9是主机的红外通讯系统结构；

图10是红外遥控器内部电气连接图；

图11是RS485通讯芯片HVD3082的接线；

图12是以太网接口电路示意图；

图13是CAN总线接口电路图；

图14是机器蟹分层递阶控制系统；

图15是控制系统软件框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1、图2和图3，他包括上层组织级、中层协调级和下层执行级三大部分。上层组织级控制系统主要由以S3C44B0为核心ARM系统组成，外围扩展包括无线数传模块SRWKF-108、红外遥控接口、Can通信接口MCP2510、RS232接口MAX232、液晶显示模块和Intenet以太网接口RTL8019AS等。组织级的功能主要负责接受用户命令、向用户反馈信息、根据现场环境规划各个蟹腿的运动策略，无线数传模块SRWKF-108和红外遥控接口通过各自串口与机器人主控制器相连，为机器人提供远程遥控功能，Can通信接口MCP2510和RS232接口MAX232为机器人在线调试提供多种下载和调试接口，液晶显示模块通过系统总线与机器人主控制器相连，它为机器人程序调试和试验提供直观的参数和界面，Intenet以太网接口RTL8019AS为建立多机器人协作提供局域网络通信接口。协调级控制系统由一片AVR单片机ATmega128L组成，它包括声纳环传感器信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统、变结构力觉传感器信息处理系统、步行足1协调控制器ATmega16L、步行足2协调控制器ATmega16L、步行足3协调控制器ATmega16L、步行足4协调控制器ATmega16L、步行足5协调控制器ATmega16L、步行足6协调控制器ATmega16L、步行足7协调控制器ATmega16L、步行足8协调控制器ATmega16L。协调级负责协调各足以组合出各种各样的步态，机器蟹的步态是机器人运动的基本单元，是决策系统的基本保障，它包括一些常规的步态，如水环境高姿双四足横行步态、低姿M型五足着地步态等，还包括一些非常规步态，如第N(N＝1~3)足断足步态、水环境越障步态等，步行足的协调控制。而步态的选择是与外界环境有关系的，声纳环传感器信息处理系统通过一片Msp430F149对声纳控制器返回的监测数据进行分析处理，他主要是检测远距离障碍物以及水下通信等。三轴陀螺传感器信息处理系统通过陀螺XC2S100内的力传感器数据进行处理分析，主要检测机器人机体在环境中的偏转角度，保证机器人不能翻倒。变结构力觉传感器信息处理系统通过一片Msp430F149进行数据采集，主要监测近距离的障碍物、凹坑等、台阶、斜坡等，对机器人行走过程进行实时检测，保证不会损伤、掉陷等。处理分析以上三种传感器的数据是为了给机器人增加外传感装置，使机器人能更好的适应环境，以最优的步态行进，提高工作效率。执行级控制系统采用模块化的方法，由8个步行足驱动模块和一个多传感器信号采集模块构成，每一个步行足驱动模块包括三个驱动器：跟关节驱动器、股关节驱动器和胫关节驱动器；多传感器信号采集模块包括：声纳控制器(Msp430F149)、力传感器数据处理XC2S100(陀螺)和压力传感器数据采集(Msp430F149)。每个步行足系统自成一个模块，具体控制各步行足上各关节的运动，它由1片AVR单片机ATmega16L、3片TI的MSP430F1222单片机组成，ATmega16L主要负责电机伺服驱动器的通信和关节电位计的信号采集，MSP430F1222构成了每个步行足各关节电机的伺服驱动器，主要负责执行协调级发送过来的电机控制指令，对各关节电机进行伺服驱动。传感器模块主要由一片AVR单片机ATmega128L组成，负责对每条步行足上力信号的采集处理、超声波传感器阵列的信号采集以及新增外设的扩展。

两栖仿生机器蟹整体硬件结构详细组成如图3所示，整个工作过程是：上层组织级的外围扩展模块无线数传模块SRWKF-108、红外遥控接口、Can通信接口MCP2510、RS232接口MAX232、液晶显示模块和Intenet以太网接口RTL8019AS为机器人远程无线遥控、程序在线调试、人机交互界面、局域网通信接口提供给基本硬件接口；声纳控制器(Msp430F149)、力传感器数据处理XC2S100(陀螺)和压力传感器数据采集(Msp430F149)是机器人的外围检测模块，为机器人工作环境提供实时参数，这些参数不断的通过协调级的声纳环传感器信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统和变结构力觉传感器信息处理系统处理后反馈给上层组织级的S3C44B0主控，主控根据传回的数据相应发出不同的步态库指令，这些指令又通过协调级的8个步行足协调控制器处理后把指令参数发给执行级的各个关节，这样就完成了适应于不同环境的步态，行走过程中是实时监测的，根据外界环境相应改变行走步态和路径，使其能以最优、最快的方式行进。

1.蟹足关节电机驱动模块

蟹足关节电机驱动模块，可以驱动一条蟹足上的三个关节电机，核心芯片由3片微处理器MSP430f1222和一片ATmega16L构成，MSP430f1222主要负责单个电机的伺服驱动；ATmega16L负责三个电机的协调控制、与上位机通信、电位计信号的采集。

电机控制器硬件构成

结合图4，运动控制器由一片Msp430F1222最小系统构成，包括：一片Msp430F1222、功率放大电路、光电编码器反馈电路组成，Msp430F1222与增量光电编码器、电位计、PWM功率放大器都相连，并与蟹足关节协调器通过并行接口相连。Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和电位计组成了绝对位置闭环检测系统，而Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和光电编码器通过光电编码器接口形成了增量位置、速度反馈闭环系统，整个控制器模块通过并行通信接口与组织级的步行足协调控制器相连，进行数据的传递，Msp430F1222接收到指令后通过功率放大输出PWM信号，控制电机M的转动，而电位计监测电机M的绝对位置后，光电编码器以此开始计数反馈，正样就能对电机M进行速度、加速度和位置的调节控制，这样就达到了控制机器人关节的目的。

[1]功率放大驱动电路

结合图5，功率放大电路要求较高的性能保证机器蟹控制系统的稳定运行。选用性能参数比较合适的集成功率放大器，与采用分立元件设计的功放电路相比，不但能减小功放电路的体积，提高整体性能，而且集成功放中设计有多种多样的保护电路，可以减少系统故障的可能，增强系统的可靠性。因此，在设计功率驱动电路的时，对芯片的体积、性能、价格等各方面作仔细对比后，选择了ST公司生产的全桥电机驱动专用芯片L6203。

L620x系列集成功率放大电路是专为中小型电机控制而设计的，其内部集成了DMOS(耗尽型场效应管)功率开关管、CMOS和双极性电路；最大供电电压可达48V，输出电流达到5A，含有过热保护、过载保护；提供最大40ns死区时间；最高频率可达100KHz，输入兼容TTL、CMOS电平。

[2]光电编码器反馈电路

结合图6，编码器是电机的反馈通道，电动机的转速、方向、位置都是通过编码器的反馈脉冲得到的，该电路由光电隔离电路、辨转向电路、细分电路、计数器四部分组成，光电隔离电路主由两路高速光电偶合器6N137，其能够响应高达10MHz的高频脉冲，来对电动机相位差90°的A、B两通道信号进行光电隔离，能够有效地清除外界电磁信号对后续计数器的干扰。

结合图7，辨转向电路由一个D触发器构成，经过光隔整形处理的A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和CP端，故D触发器的CP端在A脉冲的上升沿触发。由于A、B脉冲相位差90°，当正转时，B脉冲超前A脉冲90°，触发器总是在B脉冲处于高电平时触发，从图中可以看出Q＝1表示正转，反转时A脉冲超前B脉冲90°，触发器总是在B脉冲处于低电平时触发，此时Q＝0，表示反转。

2.无线数传模块

为实现机器蟹可控，并对行进时的数据进行反馈，在机器蟹上层控制系统中安装了SRWF-108型微功率无线数传模块，他包括：无线操纵手柄(发射)和接收模块，而接收模块由接收天线、数据处理模块(RF IC和AtmelMCU)、串口UART组成。该模块传输特点如下：①传输距离较远，在视距情况下，天线高度大于3m，可靠传输距离大于3000m；②能适合标准或非标准的用户协议；③支持多信道，多速率；④双串口，三种接口方式；⑤支持有无校验两种数据结构。

无限数传模块可提供标准的RS-232、RS-485和UART(TTL电平)三种接口方式，可与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件直接连接使用，其通信信道是半双工的，最适合点对多点的通信方式。应用原理图见图8所示。工作过程是：人手中操控发射手柄面板指令，由发射天线发射无线电波信号指令，而由图8中的天线接收无线电波信号，经过RF IC接收后由处理器AtmelMCU分析校验，滤掉没有用的信号，将有用的信号指令数据经过串口UART传递给机器人主控制器ARM，这样，ARM就通过传过来的指令执行相应的指令程序，达到机器人远程遥控工作的目的。

3.红外遥控模块

机器蟹的红外通信系统由主控处理器的红外接口、红外遥控手柄两部分构成，遥控手柄由键盘扫描、红外解码编码、红外收发器三部分构成。红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲信号，再通过红外发射管发射红外信号。串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，这种标准与RS232串行传输标准不同，若两设备之间进行串行红外通讯，就需要进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。红外通讯接口由红外收发器和红外编码解码器构成。

lrDA即红外数据协会，全称The Infrared DataAssociation，是1993年6月成立的一个国际性组织，专门制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。IrDA的宗旨是制订以合理的代价实现的标准和协议，以推动红外通信技术的发展。IrDA1.0简称SIR Serial InfraRed，它是基于HP-SIR的异步、半双工红外通讯方式。SIR以系统的异步通讯收发器UART为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程3/16EnDec实现红外数据传输。考虑到主控处理器S3C44B0的UART0与UART1均具有IrDA1.0模式，IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率。这样主控的红外接口就比较简洁，选用UART1作为红外通信端口。红外收发器模块选用HSDL-3201，红外收发器包括发送器和接收器两部分。发送器(transmitter)将从I/O或ENDEC接收来的位调制后的脉冲转换为红外脉冲发出；接收器(receiver)检测到红外光脉冲，并将其转换为TTL或CMOS电脉冲。主机的红外通讯系统结构如图9所示。

机器蟹的遥控手柄由键盘扫描、红外解码编码、红外收发器三部分构成，作为手持设备着眼于低功耗考虑，选用Msp430F1222作为主处理器，负责键盘扫描、串口数据发送，红外收发器模块选用HSDL-3201，红外解码编码器选用专用的HSDL7001，该芯片适应IrDA1.0物理层规范，接口与SIR收发器相兼容，可与标准的16550UART或MCU的UART连接使用，可发送/接收1.63us或3/16脉冲形式，具有内部或外部时钟模式，波特率可编程。图10是红外遥控器的内部电气连接图。

整个工作流程：如图10，首先主处理器在没有键盘按下时是处于休眠状态的，这时耗电极省，当某一键(矩阵键盘中的一个)按下时，产生中断将主处理器唤醒，MSP430F1222处理器通过并行信号执行键盘扫描、消抖程序后将键值发送给红外解码编码HSDL7001，HSDL7001将其编码后通过红外收发器HSDL-3201发送，发送后主处理器又将进入休眠状态。机器蟹的红外收发器HSDL-3201(图9)接收到该信号后，将编码信号发送给主处理器S3C44B0的红外编码解码器，通过解码将键值得到，通过串行信号传递给机器人主控制器，进而执行该键值的指令。

4.网络通信接口

网络通信接口包括：RS485异步串行总线通信、以太网接口和CAN总线接口。RS485通信为上下层控制系统之间提供信息传递，以太网接口为多机器人建立的局域网络传递信息，CAN总线为扩展总线，可以同一些远距离水下通讯Modem、工业GPS等设备连接。

(1)RS485硬件电路

在仿生机器蟹双层控制系统中，上下层控制系统之间，选用了RS485异步串行总线的通信方式，主处理器S3C44B0、传感器数据处理器Mega128、八片步行足协调处理器Mega16挂在总线上。

RS485标准最初由电子工业协会(EIA)于1983年制订并发布，后由通讯工业协会(TIA)修订后命名为TEA/EIA-485A。RS485是一个电气接口规范，适用于设备间的距离小于1200m，其传输率最大为1MB/s。RS485标准定义了一个基于单对平衡线的多点、双向(半双工)通信链路，是一种极为经济、并具有相当高噪声抑制、传输速率、传输距离和宽共模范围的通信平台。RS485串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输。

研究中采用的主控系统处理器S3C44B0有两个串行通讯接口，Mega16具有一个串口，可以通过软件选择其为同步串口(SPI)还是异步串口(UART)。只要选择一款支持RS485标准的总线驱动器，通过它将作为上位机与作为下位机的Mega16相连就可以形成我们需要的RS485的总线系统，经过比较我们选择了HVD3082作为RS485通讯总线的驱动芯片。HVD3082是美国TI公司生产的，它完全满足TIA/EIA-485A标准，5V供电，功耗极低，工作电流小于0.3mA，关断电流1nA左右，总线支持256个节点，图11为HVD3082接线图。

通过通讯实验证明RS485串行总线接口电路简单，性能可靠，抗干扰能力强，适用机器蟹的的数据传输系统。在实验中为了方便的控制关节转动，同时便于将信息反馈给实验人员，仍选择通过RS232异步串行口在PC机和S3C44B0之间进行数据交换，因此，单足实验时也在上层的硬件电路上设计了RS232串口电路。

(2)RS485通信协议

控制系统中在RS485总线上需要通讯的数据有：24个驱动器状态初始化数据、24个关节位置数据、24个关节速度数据、24个关节加速度数据、24个关节电位计数据，显然数据量是很大的，其在同一条数据线穿梭时，对通信协议的要求很高。从通信速度、可靠性角度出发，选用的串行通信格式为：8位数据位，1位启动位，1位停止位，无校验位，通信速率是115200bps。由于本系统中数据量较大，在一个主节点和多个从节点构成的总线式网络中，采取主从应答方式由主节点发起并控制网上网络与接口一次通信。每个从节点有一个识别地址，只有收到与自己地址匹配的数据帧时，才有相应的处理，并向主节点应答结果。该系统中主要有两个通信过程：向关节电机驱动器节点发送运动参数(位置、速度、加速度)；从关节电机驱动器取得关节运动参数(位置、速度、加速度、电位计值)。

为保证通信畅通和从节点的本地事务顺利执行，设计了限时退出的通信方法，既在收到与自己地址不匹配的数据帧时，临时关闭通信口。这样既保证了本地事务的执行时间，又可避免从节点常在网上可能引起的双向干扰，因此在上、下位机的软件设计中采用二次检错、重发和限时退出并重新握手建立连接等通信机制。调试中发现，在某些节点工作异常，甚至通信网络完全瘫痪的情况下其他各节点也能独立完成数据采集、异常报警和实时数据存储等本地事务，一旦故障节点排除，既可恢复通信。

(3)以太网接口硬件部分

以太网既是一种计算机接入局域网络的连接标准，又是一种网络互联设备数据共享的通信协议，其采用具有冲突检测的载波监听多点接入CSMA/CD技术。由于以太网传送速率大幅度提高，物理层标准工业化以及以太网集线器技术的形成，千兆以太网技术和无碰撞全双工光纤技术的出现，使得这一先进的网络技术被推进到工业控制网络中，形成了工业以太网技术。与目前的基于现场总线的控制网络相比，基于工业以太网技术的控制网络是一种低成本(许多商用以太网的芯片组与技术可以借用)、高性能的控制网络解决方案。以太网接口对于ARM系统来说是比较关键的接口，主要是因为其通讯速度很快(10Mbps)，可通过进行程序快速调试，大容量FLASH存储器编程，相对于JTAG接口调试来说速度可以提高近100倍，4M的程序通过JTAG下载耗时近1小时，而通过网口下载只需仅仅32秒。

以太网接口采用Realted公司生产的RTL8019AS以太网控制器，支持IEEE802.3及8位或16位数据总线，内置16KB的SRAM用于收发缓冲，全双工，收发同时达到10Mbps，支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自动检测所连接的介质，在ISA总线网卡中占有相当比例。RTL8019AS与主机有3种接口模式，即跳线模式、PnP模式和RT模式。在嵌入式系统中不使用EEPROM，也不使用ISA总线，所以选择跳线模式，JP接高电平，部分设置由引脚决定。

(4)以太网接口软件部分

与以太网接口相关通信程序分为：RTL8019AS初始化、发送控制、接收控制三部分，其接口电路示意图如图12。

初始化部分完成RTL8019AS在使用之前的初始化工作：设置相关工作模式的寄存器，分配和初始化接收和发送缓冲区，初始化网卡接收地址。

RTL8019AS初始化程序工作步骤如下：

1)复位RTL8019AS；

2)选中页0寄存器，RTL8019AS停止运行；

3)设置数据配置寄存器为16位；

4)清除远程DMA计数器；

5)设置接收缓冲区区间；

6)设置接收配置寄存器(仅接收自己的地址的数据包)；

7)设置发送配置寄存器(启用CRC自动生成和自动校验)；

8)中断寄存器清零；

9)屏蔽RTL8019AS内所有中断；

10)设置指向最后一个已经读取的页的寄存器(BNRY)；

11)选择页1寄存器；

12)初始化物理地址；

13)初始化组播地址；

14)设置当前的接收结束页寄存器；

15)选择页0寄存器，启动RTL8019AS执行命令；

16)开启主机里RTL8019AS对应中断；

发送部分只要把数据写入缓冲区，启动执行指令，RTL8019AS自动发送。一般在RAM内开辟两个以太网数据包长空间作为发送缓冲区，发送数据时，两个缓冲区轮流发送，其数据的发送校验、总线数据包的碰撞检测与避免均是由RTL8019AS本身完成的。接收部分完成数据接收任务，RTL8019AS接收到以太网数据包后自动存在接收缓冲区并发出中断信号，S3C44B0X在中断程序里通过DMA方式即可读入接收到数据。

(5)CAN总线接口

CAN是一种具有国际标准而且性能价格比又较高的现场总线，作为扩展总线，其可以方便地同一些远距离水下通讯Modem、工业GPS等设备连接。CAN总线接口采用美国微芯(Microchip Technology Inc)带有SPI接口的MCP2510作为CAN总线控制器，控制器与物理总线之间的接口采用Philips公司的TJA1050，其电路如图13所示，TJA1050是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收发器的后继产品。主要区别在于：①输出信号CANH和CANL的最佳匹配，使电磁辐射更低；②节点未供电时，性能有所改进；③无待机模式。

二.控制系统的软件模块设计

机器蟹采用三级分层递阶控制，在机器蟹控制软件的设计中，每一个硬件模块也采用了软件模块化的方法。如图14所示，主控电路板由主控处理器、协处理器以及外围电路构成，主控处理器中固化有推理模块、路径规划模块、通信模块，协处理器中固化有步态库、通信模块、步态协调模块、触障反射模块，而协调级的这些模块与8条步行足的步态协调器、声纳协调器、力觉协调器和位子协调器相连，8条步行足的步态协调器又与各个关节的驱动器相连组成三关节主控系统(电路板)，声纳环协调器与声纳传感器协调处理组成了声纳环信号处理板，力觉协调器和力觉传感器组成力信号解偶板，位姿处理器和位姿传感器(陀螺)组成电子陀螺系统。

控制软件的框图如图15所示。对机器蟹的姿态控制是基于位置的反馈控制。上位机向下位机传送关节转角的理想位置。上位机软件主要包括步态规划模块、指令发送模块、反馈中断模块、显示模块、无线遥控模块组成。

步态规划模块根据传感器提供的信息判断机器人当前状况，之后根据所选择的坐标系、机器人正运动学和逆运动学，规划出机器人下一个姿态各个关节的角度(定义一个行为库，对关节角度的控制可在行为库中查找)；指令发送模块将计算得到的各个关节角度以通信协议规定的指令格式，按照一定的循环周期向下层各伺服控制单元发送；反馈中断模块的作用是，当各关节位置达到理想位置后向上位机传送反馈信号，上位机中利用中断接受这个反馈信息，并启动下一个位置命令的传送；显示模块将机器人的状态用LCD液晶屏进行显示，便于实验观察；无线遥控模块用于机器蟹接收控制人员的决策命令，使其可控。

图15控制流程图工作如下所述：整个控制系统在开关打开开始工作后，第一步进行系统初始化和各关节位置复位，系统在初始化和各关节复位后，等待控制器指令，当我们用无线遥控手柄或是红外遥控器发出执行动作指令后，上层控制器接收指令信号，根据上层主控器传送的指令和数据控制电机进行相应的动作，并根据反馈的结果来确定是否执行完毕，然后等待下一指令，上层主控器传送的指令到数据控制电机需要经过通讯中断判断程序、通讯中断子程序后，将指令分解为8条步行足三个关节的参数，执行单关节位置伺服子程序就会根据各个关节参数进行相应控制，通过一个执行判断指令来控制程序最终是否执行完毕。当在整个系统执行过程中，人为无线遥控让其运动停止、改变运动指令或是任务没有最终完成都会返回指令等待状态。本系统处于上层的主控器通过RS485给下位关节驱动控制器传送的指令应包括该关节的转动方向，转动角度和转动的角速度等信息。而关节驱动控制器通过RS485总线将关节转角和步行足当前状态(摆动还是支撑，是否碰到障碍物)情况等信息实时的反馈给上位机。

Claims (4)

1.一种两栖机械螃蟹的分级控制装置，其特征是：它包括上层组织级、中层协调级和下层执行级三大部分；上层组织级控制系统主要由以S3C44B0为核心ARM系统组成，外围扩展包括无线数传模块SRWKF-108、红外遥控接口、Can通信接口MCP2510、RS232接口MAX232、液晶显示模块和Intenet以太网接口RTL8019AS；协调级控制系统由一片AVR单片机ATmega128L组成，它包括声纳环传感器信息处理系统、三轴陀螺传感器信息处理系统、变结构力觉传感器信息处理系统、步行足1协调控制器ATmega16L、步行足2协调控制器ATmega16L、步行足3协调控制器ATmega16L、步行足4协调控制器ATmega16L、步行足5协调控制器ATmega16L、步行足6协调控制器ATmega16L、步行足7协调控制器ATmega16L、步行足8协调控制器ATmega16L；执行级控制系统为模块化结构，由8个步行足驱动模块和一个多传感器信号采集模块构成，每一个步行足驱动模块包括三个驱动器：跟关节驱动器、股关节驱动器和胫关节驱动器；多传感器信号采集模块包括：声纳控制器Msp430F149、力传感器数据处理XC2S100和压力传感器数据采集Msp430F149；每个步行足系统自成一个模块，具体控制各步行足上各关节的运动，它由1片AVR单片机ATmega16L、3片TI的MSP430F1222单片机组成，ATmega16L主要负责电机伺服驱动器的通信和关节电位计的信号采集，MSP430F1222构成了每个步行足各关节电机的伺服驱动器，主要负责执行协调级发送过来的电机控制指令，对各关节电机进行伺服驱动。传感器模块主要由一片AVR单片机ATmega128L组成，负责对每条步行足上力信号的采集处理、超声波传感器阵列的信号采集以及新增外设的扩展。控制信号输入上层组织级控制部分，协调级控制部分连接于上层组织级控制部分与执行级控制部分之间，执行级控制部分与关节驱动单元之间以485总线通信协议进行通信。

2.根据权利要求1所述的两栖机械螃蟹的分级控制装置，其特征是：所述的分级控制装置的步行足驱动模块的核心芯片由3片微处理器MSP430f1222和一片ATmega16L构成，一片Msp430F1222、功率放大电路、光电编码器反馈电路组成运动控制器，Msp430F1222与增量光电编码器、电位计、PWM功率放大器都相连，并与蟹足关节协调器通过并行接口相连；Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和电位计组成了绝对位置闭环检测系统，而Msp430F1222、PWM功率放大器、电机M和光电编码器通过光电编码器接口形成增量位置、速度反馈闭环系统，整个控制器模块通过并行通信接口与组织级的步行足协调控制器相连。

3.一种两栖机械螃蟹的分级控制方法，其特征是：

步态规划模块根据传感器提供的信息判断机器人当前状况，之后根据所选择的坐标系、机器人正运动学和逆运动学，规划出机器人下一个姿态各个关节的角度；指令发送模块将计算得到的各个关节角度以通信协议规定的指令格式，按照一定的循环周期向下层各伺服控制单元发送；反馈中断模块的作用是，当各关节位置达到理想位置后向上位机传送反馈信号，上位机中利用中断接受这个反馈信息，并启动下一个位置命令的传送；显示模块将机器人的状态用LCD液晶屏进行显示；无线遥控模块用于机器蟹接收控制人员的决策命令，使其可控。

4.根据权利要求3所述的两栖机械螃蟹的分级控制方法，其特征是：整个控制系统在开关打开开始工作后，第一步进行系统初始化和各关节位置复位，系统在初始化和各关节复位后，等待控制器指令，当我们用无线遥控手柄或是红外遥控器发出执行动作指令后，上层控制器接收指令信号，根据上层主控器传送的指令和数据控制电机进行相应的动作，并根据反馈的结果来确定是否执行完毕，然后等待下一指令，上层主控器传送的指令到数据控制电机需要经过通讯中断判断程序、通讯中断子程序后，将指令分解为8条步行足三个关节的参数，执行单关节位置伺服子程序就会根据各个关节参数进行相应控制，通过一个执行判断指令来控制程序最终是否执行完毕；当在整个系统执行过程中，人为无线遥控让其运动停止、改变运动指令或是任务没有最终完成都会返回指令等待状态；处于上层的主控器通过RS485给下位关节驱动控制器传送的指令应包括该关节的转动方向，转动角度和转动的角速度等信息；而关节驱动控制器通过RS485总线将关节转角和步行足当前状态等信息实时的反馈给上位机。

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