计算机系统应用加年第期基于张永德摘要使用单片机的机器人控制器设计一①毕津滔哈尔滨理工大学智能机械研究所黑龙江哈尔滨巧,系列的高档八位单片机作为主控芯片控制多路舵机并用,。,接口作为机器人控制器和上位机通讯的接口从而设计出一款通用的机器人控制器思想并利用控制器下位机软件程序引入了分时操作系统的输出。单片机内部,位定时器及端口产生多路本设计尤其适用于教学机器。人和娱乐机器人控制系统中并已经成功应用于类人教学机器人系统和中国象棋机器人系统当中关健词单片机舵机、机器人机器人技术是综合了计算机控制论机构学信息和传感技术人工智能仿生学等多学科而形成的高、、、线控制线方波脉冲、。控制线的输入是一个宽度可调的周期性信号舵机转轴的角度随输入信号的,,,、新技术是当代研究十分活跃应用日益广泛的领域世界上许多国家都将其列入高新技术发展计划。,,,,脉冲宽度变化成正比而且舵机的控制周期是一定的所以舵机的控制就相对简单。未来,这使得采用,十单片接的数字家庭中机器人将是主宰者,。分析人士指出随机的主从式口通讯,级控制结构之间通过着技术进步以及市场空间的扩大机器人的价格也将,并结合舵机成为一种不错的机器人控制器设人们可以根据需要设计出具有某些特殊功能。像产业一样迅速下降从而走进千家万户,。而高校计方案。作为科技人才培养的重要基地对于机器人控制方面的人才的培养也是势在必行的于是各种专门面向教学研究旨在传授机器人学方面先进控制知识的教学机器人川应运而生了,的简易智能机器人、。根据控制系统的开放程度机器人控制器可被分为三类封闭型开放型和混合型机器人控制器是基于。,,而本文所研究的。由于目前高校教学所使用的机,公司的,单片机而设器人的型号很多因此有必要开发出一套通用性较强计的通用型开放式机器人控制系统它具有以下几个能够适合于控制多种类型的机器人对象的机器人控制系统。特点硬件具有模块化结构控制器的硬件由多个模块组成不同的模块完成不同的功能这样不但便于控制,,系统功能扩展以及性能调试而且能够保证控制系统,引言随着微电子技术的不断发展微处理器芯片的集,的可靠性和稳定性软件系统重用性通过对软件部分的函数的调用和灵活组合控制软件就能够应用,成度越来越高单片机已可以在一块芯片上同时集成多种电路,,于各种不同类型的机器人控制系统可扩展性能够在。同时舵机作为一种位置角度伺服的驱。,现有控制器基础上方便地增加硬件设备和软件模块,动器十分适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制应用,有较好的扩展功能。目前在高档遥控玩具如航模包括飞机。,,模型潜艇模型中已经使用得比较普遍,在机器人机、系统整体方案及框图本设计结合点设计出一种使用系列高档电控制系统中舵机也常常被用作为基本的输出执行机构。位单片机的优势和特通常的舵机有条导线川,分别是电源线地接口作为机器人控制器和上位①基金项目哈尔滨市科技创新人才基金项目巧仪抖系统建设吵加年第,期计算机系统应用机通讯接口下位机软件编程引入了分时操作系统的思想利用,单片机内部。位定时器结合中断功能。产生多路输出的通用机器人控制器。系统整体,功能框图如图机器人控制器的硬件采用功能化和上位机作为上级模块化闭的结构设计方法机器人上位机软件件机器人执行机构电路路复位电路多路舵机路接口电路电源电路路图控制器整体方案框图,负责系统管理和人机接口的功能同时也利用它的运算能力完成机器人的操作空间坐标和关节空间坐标的变换轨迹规划并把运算结果作为关节运动的控制参数通过级,,、,总线下传给下级,单片机作为下,,它具有高速处理能力可同时控制多路伺服电图彻映机通过增减伺服电机驱动模块的数量即可控制不同的机器人运动轴数此外单片机还可以将机器人和控制器的状态信息通过、,电路总线上传给上级。。机器、芯片进行是一片串行,爪电平转换,。图中的、人控制系统通过上位机调试软件来完成在线的示教任用于储存产品的切、务信息的显示和输入、整个系统包括控制电路下位。设备序列号以及与设备相关的文字说明芯片的容量机软件上位机软件等部分和下位机软件部分。本文重点介绍控制电路大小可以根据用户的需要选择驱动。在系统下处于用户级的应,控制器电路介绍控制器和上位机通讯电路硬件电路连接用程序为了访问,接口硬件设备必须编写,,设备驱动程序模块虽然目前许多公司提供了编写驱动程序的开发工具但是编写设备驱动程序仍然是一接口和。。邢以及驯芯片的主要功能是解决件比较困难的工作编写调试程序需要花费大量的时间。,、接口,之间协议转换的问题而使用邢芯片设计的产品由于盯,公利用该芯片只需要加少量地外围电路就可以实现与它司提供了一个免费的虚拟串行口的接口方式非常容易与,接口线路几乎都提供了标准电平那么即使用,,驱动程序通常为,用户不需要编写任何是采用上图所示的连接方式邢驱动程序代码更重要的是安装了设备驱动程序的一、所有引脚信号线因此与外设的连接方式非。,后应用程序可以像访问一个标准的串行口一样访问虚拟串行口这样设备的原,常灵活方便如果外设为应用程序就不需伽系统建设计算机系统应用年第,期,作任何的修改而直接使用及其外围电路。因此舵机与单片机控制器采用两个电源供电两者不共地通过光祸来隔离并且给舵机供电的电源最好采公司的。,,本控制器采用位单片机款采用低功耗,系列固高档用输出功率较大的开关电源。作为主控芯片该款单片机是一工艺生产的基于结构的个可编程。,利用单片机产生多路。波波从,高速单片机它的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路最多具有口,,控制器可以同时产生多路不同脉宽的而实现同时控制多路舵机的同时转动而产生十分适合控制多自由度的机器人,波的方法主要是利用了芯片本身自带的。,作为控制器的内部具有,位定时计数器用来。位定时计数器以及分时操作系统的思想一般舵机的控制时基为一一。作为舵机脉宽的定时器不用外接振荡计数器就可以满足舵机的最大精度的转角调整,,脉冲宽度从而位置等级一般控制器采用外接的。对应舵机,,的位置石英晶振来产生系统时钟使得系统定时更加精有个那么其控制的角度精度是可以达到确以便更加精确的控制舵机的速度和转角图电路如度为度约度了从时间上看其要求的脉宽控制精约。,那么要实现最大精度控制舵机的转角就必须使用至少数器的。,个计数值的定时计自带。因此本文中的控制器选用了位定时器计数器作为,,波的脉宽调制器,同时单片机作为嵌入式系统主控单元其软件往往是一个微观的实时操作系统且大部分是为某种应用而专门设计的,。系统程序有实时过程控制或实时信息处理的能力要求能够及时响应随机发生的外部事件并对该事件做出快速处理”。而分时操作系统却是把,“的时间划分成长短基本相同的时间区间即时间片,通过操作系统的管理把这些时间片依次轮流地。,分配给各个用户使用,如果某个作业在时间片结束之,,前整个任务还没有完成那么该作业就被暂停下来图及外围电路放弃,等待下一轮循环再继续做。,。此时又分配给另一个作业去使用,由于计算机的处理速度很舵机接口电路控制器在连接舵机的接口电路部分使用了芯片该芯片是光电藕合器件微控制器的再经过反相器进行反相,快只要时间片的间隔取得适当那么一个用户作业从用完分配给它的一个时间片到获得下一个时间。用于增加整个系统在。片中间有所停顿“”,“”但用户察觉不出来好像整个系。,控制多个舵机过程中的抗干扰能力口输出的日四,又因为通过统全由它独占似的分时操作系统下主要具有以,信号通过光藕,个特点①多路性。,。用户通过各自的终端可以。传送过程中进行了反相因此从光藕出来的信号必须。同时使用一个系统②及时性,用户提出的各种要。方波信号经过光祸传输后,求能在较短或可容忍的时间内得到响应和处理独占性一个。,,③前沿和后沿会发生畸变因此反相器采用准的户四方波信号,,施在分时系统中虽然允许多个用户同时使用但用户之间操作独立互不干涉分时操作。密特反相器对光祸传输过来的信号进行整形产生标。。通过实验发现舵机在运行过程,,系统主要是针对小型机以上的计算机提出的,相对而中要从电源吸纳较大的电流若舵机与单片机控制器‘〕共用一个电源则舵机会对单片机产生较大的干扰【。言单片机是一个单片集成系统从硬件上单片机系统与采用分时操作系统的计算机系统是无法比拟的。,,系统建设湘加年第,期,计算机系统应用但是在单片机系统的设计中设计人员对其最终具体应用是一清二楚的它的使用环境相对是单一固定的,舵机的控制时基为脉宽为间设定为一一。,,而用于控制舵机转角的可调。所以将定时器的定时溢出时。所控制的过程的可预见性为分时系统思想的实现提供了可能性,将要控制的舵机分成八组,,通过软。具体一点就是虽然单片机的,速度较件对组号的循环控制实现相当于把每的低但其任务是可预见的这样作业调度将变得简单而无须占用很多的,时间作为一个控制周期而其中的每,作为。时间同时时间片的设计是具。,“”一个时间片这样就可以分别利用每一个时间片来实现调整各组中需要的户四体而有针对性的因此可变得很有效,正是基于上面波的脉冲宽度的工作从。分时操作系统的思想本文中设计的控制器软件部分使用了分时复用的思想并结合中断实现了多路户四,而实现了多舵机不同转角的同步同一周期控制由于,高档八位机可以达到接近单片机高出,的性倍。波的产生。软件整体思路如下图所示能运行速度比普通八组舵机,能在较短的时间内得到响应且独立操作互不干涉具备了及时性和独占性以及多路性言化初女。,经过试验证明,该方法是可行的。回归函数上位机调试软件控制器的上位机调试软件实现了能与控制器的通信组号加保存当前位置和舵机的可视化调试功能,。程序采用,十。开发通信部分使用函数编写具有相当的灵活性,和易用性置低相应引脚脚。如果具体应用到实际的系统当中如多类,人教育机器人或下棋机器人系统中只需对本上位机调试软件中的用一函运下行动动组执数启。类进行调用和重新组合即可应所示部分操作界面如图一周期下启动期置低相应引脚图主程序流程图图中断程序流程图图为主程序流程图其中初始化工作包括初始,,化串口口,定时器以及中断的使能‘。。回归函数用于启动时回到由用户指定的控制器所控制的机器人各关节的初始位置〔〕为了能够实现舵机的实时任意角度的转动需要用软件实时保存舵机的当前位置,,。接着程序进入循环分时判断组号以及当前计数器的值是否大于控制各组内舵机的位置数组的值大于则将对应的图口输出低电平。,图上位机调试软件为定时器溢出中断的中断服务子程序。一般‘系统逮设计算机系统应用略,,的一年第期结论本文中的控制器包括硬件控制电路上位机通信及控制软件下位机通信及控制软件,,徐玉韩波李平基于业控制计算机,,,,的舵机控制器设计工一。控制器具有友一好的通信接口可同步控制多路执行机构脚,,选用了性能可靠的系列高档八位单片机作为控制,器的主控单元硬件具有模块化结构不同的模块完成,一不同的功能软件系统具有可重用性通过对系统软件韩大鹏韦庆机器人控制器的一种模块化设计方法微计算机信息测控自动科,部分的函数的调用和灵活组合控制软件就能够,一应用于各种不同类型的机器人控制系统把分时操作系统的思想引入了单片机编程当中系统具有可扩展马潮詹前卫耿德根,,原理机及应用手册,第版北京清华大学出版社西安西北工业大学,,,,一性能够在现有控制器基础上方便地增加硬件设备和软件模块提出了一种通用的小型机器人控制系统方案。硕士学位论文胡林高精度舵机控制器的研制〔周鹅张小刚王志勇分时操作系统在单片机编程,虽然本控制器具备了上述优点但仍存在许多不中的实现塔里木农垦大学学报嗯一,,一足之处。如提供更好实时处理能力提供方便的机器。,儿一,一人上位机图形仿真软件等工作。这也正是本设计的下一步叮,,今考文献,一,,,政王宏杰丁国清颜国正林良明机器人与计算机之间的通信编程计算机工程,一上接第页万玛宁,结语通过对关永,韩相军嵌入式数据库典型技术叮的架构和应用开发进行初步研究。,,,和一,的研究微计算机信息并通过一个应用实例开发验证了其平台的可用性该平台具有完整的架构体系本身大量使用开源库类并且为开发人员提供了一个非常便捷的开发环境山记平台与。李观华范辉算机应用,,,,在移动通信程序中的应用计一关于平台在虚拟机性能与应用程序运。廖永刚余冬梅张秋余研究计算机工程与设计,,,架构与安全机制的一行效率方面的比较是进一步研究的方向盯,,龙亚券黄璞吴胜统一,,超大容童下的实现一文件系北京电子科技学院,一在,,王冲开发平台上,,解析器的选择计算一学报机工程与应用系统盆设鱿毗加曲