陶　砂,曲鳴飛

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院自動化工程學(xué)院,北京 100176）

基于MSP430控制系統(tǒng)對機(jī)器人帶有三軸陀螺儀舵機(jī)可靠性的措施

陶砂,曲鳴飛

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院自動化工程學(xué)院,北京 100176）

摘要：類人形機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)，雙足處帶有三軸陀螺儀舵機(jī)，可同時(shí)測定6個(gè)方向的位置,并能加速，移動軌跡。而單軸的只能測量兩個(gè)方向的量，即1個(gè)系統(tǒng)需要3個(gè)陀螺儀，而1個(gè)3軸的就能代替3個(gè)單軸的。由于MSP430控制系統(tǒng)是一款低功耗芯片，對類人形機(jī)器人運(yùn)動需長時(shí)間靠三軸陀螺儀舵機(jī)，平衡類人形機(jī)器人運(yùn)動，達(dá)到控制目的。

關(guān)鍵詞：MSP430控制系統(tǒng)；三軸陀螺儀；舵機(jī)；類人形機(jī)器人運(yùn)動可靠性

0　引言

類人形機(jī)器人運(yùn)動可靠性是機(jī)器人運(yùn)動一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，以三軸陀螺儀自動平衡機(jī)器人運(yùn)動，利用舵機(jī)形成關(guān)節(jié)，完成機(jī)器人的各種運(yùn)動，由于機(jī)器人的自由度多寡，造成功耗大，采用低功耗芯片MSP430控制系統(tǒng)有利對整個(gè)系統(tǒng)可靠性得到提高。

1　MSP430系統(tǒng)對機(jī)器人三軸陀螺儀舵機(jī)系統(tǒng)

對角速度的測量是三軸陀螺儀發(fā)揮出的其最大的用處，用這種辦法來判斷事物的運(yùn)動態(tài)勢，鑒于此，人們也叫它運(yùn)動狀態(tài)的傳感器，換個(gè)說法，類人形機(jī)器人之所以知道自己“在哪兒和去哪兒”就是它起的作用。加速傳感器是一種用來測定加速的計(jì)量儀器它構(gòu)成一定的慣性為之導(dǎo)航和慣性的制作和引導(dǎo)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的測量用的原件的一部分，測量加速度的儀器安裝在運(yùn)動物體的里面，這樣就可以測量到物體運(yùn)動產(chǎn)生的加速度，從本質(zhì)上說它只是一個(gè)振蕩系統(tǒng)。

當(dāng)測量加速度的儀器與外界的事物（此事物的加速度就是需要測量的加速度）一起共同來作加速的運(yùn)動的時(shí)候，此物體因?yàn)樗艿降膽T性的作用就會向與之相反的方向運(yùn)行，這是MEMS類加速度計(jì)的工作原理。由于彈簧的限制再加上阻尼器的限制物體發(fā)生的位置變動，經(jīng)由電壓的放出就能測出到外部的加速的大小。類人形機(jī)器人定位運(yùn)動是如何通過三軸陀螺儀與加速傳感器配合的輔助實(shí)現(xiàn)的呢，從MEMS陀螺儀在實(shí)際運(yùn)用說，陀螺儀測量的角速度是沿著一個(gè)軸或者多個(gè)軸運(yùn)動與MEMS加速度測量儀可以產(chǎn)生優(yōu)勢上的互補(bǔ)，如果把加速度測量儀和陀螺儀組合起來使用，就可以對三維空間的整個(gè)運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)、跟蹤、捕捉，給精確的類人形機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)定位。想要準(zhǔn)確地描述線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的狀態(tài)，就需要加速度計(jì)和陀螺儀設(shè)計(jì)運(yùn)用。

需要快速反應(yīng)和高分辨率的旋轉(zhuǎn)檢測只靠使用陀螺儀就可以完成。對于有原有的重力參照物、非直線運(yùn)動或存在線性，但其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的運(yùn)動被圈定在一個(gè)有限的范圍內(nèi)的應(yīng)用，可使用單純使用加速度計(jì)的方案。如果同時(shí)處理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動，陀螺儀計(jì)和加速度的方案為最佳選擇。除此之外，為了使我們手中的的陀螺儀具的機(jī)械噪聲減小和加速度提高，或?yàn)闇p少加速度測量儀的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的誤差，那些設(shè)計(jì)者就會用磁力計(jì)來替換舊模式用陀螺儀，由此產(chǎn)生的傳感方面的功能，相應(yīng)的定位也因此完成，這樣陀螺儀就術(shù)業(yè)有專攻了。由此說明，MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢向混合的陀螺儀、磁感應(yīng)計(jì)或加速度計(jì)相結(jié)合的方案發(fā)展。而就有的加速度儀器的使用，產(chǎn)生的效果不是反應(yīng)快噪聲大就是反應(yīng)慢輸出純凈；要想得到既純凈又反應(yīng)敏捷的輸出只需將陀螺儀與加速度計(jì)相結(jié)合就可以了。

運(yùn)用自己熟悉的定位測量等的原始的速度，對加速度的值進(jìn)行累加，就可獲得機(jī)器人所載物的位置、速度等一系列的信息。鑒于此，加速度測量儀的性能和精確度直接影響著機(jī)器人以及運(yùn)動系統(tǒng)的可靠性。三軸陀螺儀的工作原理圖如圖1與芯片如圖2所示。

圖1　三軸陀螺儀工作原理

圖2　三軸陀螺儀芯片

2　低功耗MSP430單片機(jī)對三軸陀螺儀舵機(jī)可靠性的保證體系

類人形機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，其完成運(yùn)動、控制任務(wù)的關(guān)鍵來自準(zhǔn)確定位。使用一套類人形機(jī)器人，研究了類人形機(jī)器人的定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了MSP430單片機(jī)定位子系統(tǒng)及上位機(jī)重心定位軟件。分析對運(yùn)用于機(jī)器人國內(nèi)外定位技術(shù)的研究，使用MEMS三軸陀螺儀定位系統(tǒng)所采取的定位方法，用MSP430F6638來當(dāng)做微控制器，從而分析出類人形機(jī)器人在收模塊發(fā)給他的協(xié)議定位的有效數(shù)據(jù)后，由LCD模塊加以呈現(xiàn)，并以RS485接口與上位機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換電路達(dá)到通訊。類人形機(jī)器人定位系統(tǒng)的組成與定位原理，常用的時(shí)間坐標(biāo)系與坐標(biāo)系和進(jìn)行加以定位產(chǎn)生的誤差分析，兼顧分析協(xié)議的有效數(shù)據(jù)的研究，使消息解析函數(shù)、消息校驗(yàn)、和定位數(shù)據(jù)接收、時(shí)間日期調(diào)整函數(shù)等算法得以實(shí)現(xiàn)，還有跟上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)系的Modbus協(xié)議。為了讓定位信息的獲得更加直觀的呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)用了VB開發(fā)的上位機(jī)對機(jī)器人重心定位軟件，以定位子系統(tǒng)和MEMS三軸陀螺儀傳感器子系統(tǒng)的串口通訊，完成了基于類人形機(jī)器人的定位任務(wù)。

MSP430單片機(jī)能節(jié)省能源、降低消耗，類人形機(jī)器人身上套用它就是低功耗，工作模式得以延長。這是因?yàn)?，處理器的使用要考慮到幾個(gè)方面，第一降低工作電壓；第二把關(guān)掉暫時(shí)不用的模塊功能，減少耗電量；第三降低工作時(shí)鐘的頻率。MSP430的電壓已降至3.3V，相比較而言雖不是最低，相對來說是很低很低了；MSP430單片機(jī)的典型之處在于：一是把一顆芯片可以幾個(gè)甚至多個(gè)分異樣的模塊部分，暫時(shí)不需要的部分功能模塊就可以先關(guān)掉，節(jié)約用電量；二是它有三個(gè)時(shí)鐘源，更多的可用的內(nèi)部工作頻率由此產(chǎn)生，使得不同的的頻率有內(nèi)部各個(gè)模塊在此工作，暫時(shí)用不到的時(shí)鐘就可先關(guān)閉。此典型的方法的設(shè)置是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，具體說來，MSP430系列單片機(jī)有6種不同的工作模式：

（1）活動模式—M這時(shí)的工作模式最正常，這時(shí)CPU所消耗電能處于最高狀態(tài)。

（2）低功能消耗模式0—LPM0CPUOff置位，CPU不活動，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK和MCLK信號處于活動狀態(tài)，MCLK的鎖頻工作正常，相關(guān)的控制位設(shè)置為：SCG0=0，SCG1=0，0scOff=0，CPUOff=1。

（3）低功功能消耗模式1—LPM1CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)不工作，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK與MCLK處于活動狀態(tài)，相關(guān)控制位設(shè)置為：SCG0=0，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（4）低功能消耗模式2—LPM2CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)不工作，外圍模塊處于工作狀態(tài)，ACLK活動，MCLK停止，相關(guān)控制位設(shè)置為：SCG0=0，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（5）低功能消耗模式3—LPM3CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK不工作，DCO的DC發(fā)生器關(guān)閉，外圍模塊處于工作狀態(tài)，但ACLK信號仍保持活動，相關(guān)控制位設(shè)置為：SCG0=1，SCG1=1，0scOff=0，CPUOff=1。

（6）低功耗模式4—LPM4 CPUOff置位，CPU不活動，MCLK的鎖頻環(huán)控制和MCLK不工作，晶振停止，外圍模塊保持工作狀態(tài)，相關(guān)控制位設(shè)置為：SCG0=x，SCG1=x，0scOff=1，CPUOff=1。

3　三軸陀螺儀舵機(jī)可靠提高策略

三軸陀螺儀的調(diào)試過程，由于三軸陀螺儀舵機(jī)比較穩(wěn)定，受到了很多用戶的好評，下面介紹一款ZYX-s版的三軸陀螺儀的調(diào)試過程，調(diào)試過程是提高三軸陀螺儀可靠性的有力保障。

（1）機(jī)器人的機(jī)械部分安裝與調(diào)整：1）舵機(jī)安裝就位，暫時(shí)不裝三軸陀螺儀，舵機(jī)線直接插進(jìn)接收機(jī)對應(yīng)通道，舵機(jī)暫時(shí)不裝舵機(jī)四肢。按程序遙控、接收機(jī)上電，所有舵機(jī)歸零，這時(shí)將舵機(jī)四肢裝在軀體上。此時(shí)由于舵機(jī)出軸的齒牙關(guān)系，舵機(jī)四肢可能不會非常水平，差一點(diǎn)角度，不要緊，暫時(shí)擱置后期處理；2）將舵機(jī)頭部扣裝在軀體上，這舵機(jī)拉桿要一樣長，具體的長度先不要管它，到調(diào)整關(guān)節(jié)螺距時(shí)再細(xì)調(diào)。最后安裝到舵機(jī)四肢與十字盤上。兩個(gè)十字盤與關(guān)節(jié)夾的拉桿也要一樣長，暫時(shí)裝到十字盤與關(guān)節(jié)夾上；3）計(jì)算機(jī)裝ZYX軟件，方法按說明書操作進(jìn)行，這里不復(fù)述。

（2）遙控器設(shè)置：1）在遙控上新建一個(gè)十九自由度機(jī)器人，選擇一個(gè)沒有任何混遙控功能的十字盤模式（非CCPM模式）。打開系統(tǒng)設(shè)置，找到十字盤類型進(jìn)入，選擇“普通”保存后退出；2）檢查遙控器各個(gè)設(shè)置項(xiàng)，退出一切遙控形式，設(shè)置各項(xiàng)保持出廠狀態(tài)。

（3）直機(jī)上安裝三軸陀螺儀硬件，按陀螺儀的說明書接好全部連線，遙控、接收機(jī)上電，陀螺儀進(jìn)入自檢，約十幾秒，陀螺儀串燈閃爍，最后一個(gè)紅燈或綠燈常亮，陀螺儀自檢成功。

（4）將陀螺儀的數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接好，點(diǎn)擊軟件圖標(biāo)進(jìn)入設(shè)置界面，再點(diǎn)擊“連接”按鈕，待三個(gè)紅燈轉(zhuǎn)為綠燈時(shí)為連接成功。

（5）點(diǎn)擊“調(diào)機(jī)界面”進(jìn)入，這以后可以按軟件向?qū)нM(jìn)行了，這里主要介紹的是機(jī)器人螺距的調(diào)整。

（6）機(jī)器人螺距的調(diào)整：1）遙控上電、接收機(jī)上電、ZYX自檢完畢，遙控的推桿推到50％，此時(shí)查這個(gè)斜盤舵機(jī)四肢應(yīng)該呈水平狀態(tài)，螺盤螺距為零度。如果這個(gè)斜盤舵機(jī)某一個(gè)沒有達(dá)到水平，可打開調(diào)機(jī)界面第7項(xiàng)“舵機(jī)微調(diào)”，進(jìn)行微調(diào)使這個(gè)舵機(jī)四肢水平；2）推桿不動（保持50％）查螺盤的螺距是否為0度，如果不是0度，可調(diào)整這個(gè)舵機(jī)拉桿和二個(gè)關(guān)節(jié)夾拉桿，使關(guān)節(jié)螺距為0度；3）將遙控的推桿推到100％，查關(guān)節(jié)螺距是否為10-11度，超出或小于此螺距可調(diào)整，可調(diào)整“調(diào)機(jī)界面”第10項(xiàng)“總距系數(shù)”，使關(guān)節(jié)達(dá)到正10-11度；4）打開遙控的螺距曲線進(jìn)入，將負(fù)螺距曲線端點(diǎn)上調(diào)，使主盤為負(fù)2度，然后將負(fù)螺距端點(diǎn)與0螺距之間的曲線調(diào)直，至此，螺距的普通模式便調(diào)整完畢；5）普通螺距設(shè)定好之后，3D螺距基本上不用設(shè)置，遙控的3D開關(guān)撥到3D模式，機(jī)器人便進(jìn)入了3D狀態(tài)，撥動推桿機(jī)器人的關(guān)節(jié)會出現(xiàn)正負(fù)10度的螺距變化。如有差異可將遙控的螺距曲線也切換到3D曲線，微微調(diào)節(jié)一點(diǎn)也就行了，此時(shí)整個(gè)螺距設(shè)置宣告完成，三軸陀螺儀實(shí)物與三線和四線連接方法，如圖3所示。

圖3　三軸陀螺儀實(shí)物與三線和四線連接方法

由于機(jī)器人的舵機(jī)與三軸陀螺儀的正確工藝安裝，是提高三軸陀螺儀舵機(jī)可靠性策略的關(guān)鍵所在，萬萬不能忽視。

4　結(jié)束語

本文詳細(xì)定性介紹了類人形機(jī)器人的三軸陀螺儀舵機(jī)可靠性的三種方法，即采用低功耗MSP430控制器、軟件控制模式、和工藝安裝技術(shù)要點(diǎn)，比較并分析了這些方法的適用階段及其特點(diǎn)，對類人形機(jī)器人長時(shí)間工作的評估，提供了方法的選擇和理論依據(jù)。類人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)者可以結(jié)合自身機(jī)器人的特點(diǎn)及可靠性需求，選擇有效方法。

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作者簡介：陶砂（1960—），男，碩士研究生，高級講師，主要從事：嵌入式系統(tǒng)和機(jī)器人的教學(xué)與應(yīng)用研究。