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1、绪论课题的背景和意义机器人是一门高度交叉的综合性学科，涉及到机械学、生物学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、信息科学、光学、电子工程学、传感技术、人工智能、人类学、社会学等诸多学科。因此，它本身的发展和进步在很大程度上依赖于相关学科的研究水平和技术成熟程度。这因为如此，渐渐的形成了一门独立的高科技学科机器人学。而对于机器人的具体应用的情况，也反映了一个国家工业自动化的水平。随着计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能以及仿生学等学科的不断发展，机器人技术作为一类综合性的高新技术已经被广泛应用于人们的生产生活中，逐渐朝着替代人工作的方向发展。机器人技术集成了多学科的发展成果，代表高
2、技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向【2】。20世纪90年代以来，机器人的应用开始从制造领域向非制造领域(比如，军用、医疗、宇宙探测、服务、娱乐等方面)扩展，从而基于非结构环境、极限环境下的先进机器人技术及其应用研究己成为智能机器人技术研究和发展的重点。非结构环境下机器人的关键技术之一在于机器人系统对环境的适应性、相容性，从而基于仿生学原理及针对相应环境信息机器人的控制算法、行动策略和运动原理等的研究也就成为国际先进机器人技术研究的主要目标1。自然界的生物经过亿万年的自然选择和群体进化，使其各自具备了某种适应特定复杂多变环境的能力，而这些能力往往是人类不具备的，因此人类必须通过研究、学习、
3、模仿来复制和再造某些生物的特性和功能，以此提高人类对自然的适应和改造能力【3】，而通过对这些能力的研究、学习，模拟，复制和再制造生物系统的结构、功能、工作原理和控制模式，从而来该现有的系统，这个模式也被越来越多的应用到社会的各个领域中。 轮式机器人和履带式移动机器人的操作都较为简单，其移动和控制都比较容易，应用也较为广泛，而履带式移动机器人又因为移动机构支撑面积大，接地比压小，更适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，对路况具有较强的适应性，同时具有较强的爬坡能力和负载能力。然而随着机器人应用领域的不断扩大，足式移动机器人相比移动机器人中的轮式或履带式机器人，体现出其优势。该类型机器人具
4、有较多的自由度，可以使其像昆虫一样灵巧地运动， 并且对复杂多变的地形具有更强的适应能力。而且足式移动机器人的落足点是离散的，因而该机器人能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态，并选择合理的支撑点，使得机器人具有更高的行走能力。因此足式步行机器人的研究已经成为机器人学中一个引人注目的研究领域，其广泛更为广泛。与一般的机器人相比(比如轮式机器人)，六足仿生机器人的一个最大的优点是对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物、走过沙地、沼泽等特殊路面，因此可以用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成的或危险的工作，并且机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应
5、能力更强。本文中多足仿生机器人包含六足，每个脚具有3个灵活度，相对于轮式和履带式的机器人它具有不可比拟的优势，比如它的运动灵活性，腿部的自由度，多运动模式等，最终直接体现在复杂环境下的机器人很强的适应能力，能够在复杂恶劣的环境中稳定行走。本文主要围绕着多足机器人的驱动控制和实现展开的。国内外多足仿生机器人的研究现状自20世纪80年代机器人学开拓者、美国著名机器人学家R.B.McGhee等开始研究四足步行机器人以来, 多足步行机器人的研究一直是众多学者关注的热点和难点, 其研究状况正如加拿大著名机器人学家J1Angeles教授所言的:“步行机器人的基础理论研究步伐要远滞后于它的技术开发步伐” 5
6、 。那一时期，这类机器人都成功的实现了对机器人多自由度腿运动的计算机控制。此外，R.B.McGhee总结前人对动物步态研究成果, 率先系统地比较，给出了一系列描述和分析步态的严格数学研究,为以后的步态研究奠定了数学理论基础。随着科技的发展，尤其是20 世纪后期计算机技术、电子技术、生物工程、人工智能技术的飞速发展，多足仿生机器人的研究取得了很大的进步。日本的机器人技术在当今世界上已经居于领先地位，来自东京工业大学的Shigeo Hirose教授研究的四足步行机器人最为深入。1976年他研制成功世界上第一代四足步行机器人，它的外形像蜘蛛，具有四条腿，能够做爬行等动作，而他的设计灵感来自蜘蛛。随后
7、Shigeo Hirose等人对该机器人进行了不断的改造，一共研制成功8代机器人，其中，TITAN-III的脚上装有传感器和信号处理系统，可以自动检测与地面接触的状态，姿态传感器和姿态控制系统做出控制决策。TITAN-IV在TITAN-III 基础上做了些改进，在半年多的时间里，共步行了40 多公里。1994年Hirose研制的TITAN-VII，如图？所示，其能够在陡峭和不平的地方步行，能够自主避障，腿还能够作为操作臂，能够越过15度的斜坡，机体在导线的帮助下成功爬越了70度的斜坡。1996年研制成功TITAN-VIII系列四足步行机器人，如图？所示，它具有高度的地面自适应能力，腿能够成为有
8、力的工作臂，可以用于探测地雷和进行排雷操作。图TITAN-VII（1994）图 TITAN-VIII（1996）而同样是机器人大国的美国在上世纪90年代初，美国罗克威尔公司及IS机器人公司在DARPA资助下研制了最早的两栖多足机器人， ALUV机器人，它的外形仿造螃蟹，主要用于对付岸边的水雷。之后，iRobo公司及美国国防先进计划研究署共同研制了机器人Ariel，如图，Ariel前后侧各有3条腿，像螃蟹一样横向爬行，其机构设计十分巧妙，即使被水浪打翻了，不需做出任何的机械调整仍同样可行走自如。机器人Ariel身上装配了许多传感器，可以通过内部的倾角传感器感知自己的当前姿态信息。在水下时，使用超
9、声波感知被触物体的形状、材料性质、表面纹理及内部结构。2002年，美国国家航空和宇宙航行局(NASA)成功研制了一种外形类似蜘蛛的微型仿生机器人，如图？所示。它有6条腿，装配了一对用来探测障碍物的天线。根据工作性质的不同，机器人的腿的大小和数量可以扩展，因此，它是一种可以在不同环境条件下根据各种地形进行探测的微小型全能步行机器人。2005年，NASA下属实验室研制成功了一种可在空问站外部自动行走的六足机器人Lemur，如图？。Lemur是仿螃蟹的腿部结构和章鱼身体外形而设计的，它有6只复合机械臂，每只机械臂都有四个运动自由度以及一个操作自由度，可以实现肩部三个方向的转动，机械手爪和肘部的俯仰的
10、夹紧动作。被主要用于太空环境下的探测及维修等空间作业以及小尺寸安装。通常它用四腿着地，而另两条腿可安装作业工具进行工作。微型仿生机器人Lemur六足仿生机器人德国也致力于发展多足仿生机器人的研究。德国布莱梅大学(Bremen)在空间多足机器人方面做了不少研究，开发了SCORPION和ARAMIES两代多足机器人。该大学还致力于八足仿生机器人的的研究，研制出仿生蝎子太空机器人，该机器人主要采用模块化的设计思想，能够基本满足在其他星球上的探险和研究。意大利Pisa大学也研制的四足机器人，它是一个可接受远程的简单命令，如向前、左转等命令，而不必考虑步态的调整以及保持平衡等细节问题。通过静态配置来确定
11、机器人腿的轨迹的控制问题。运用实时传感器驱动，根据反射控制策略来适应外部扰动，以实现机器人步行。2002年印度成功研制了六足行走式机器人“舞王”，如图？它身高约1.8米，重250多公斤，基座为一六角形的底盘，装有6条长腿，由18个轴控制，分别安装在底盘的6个角上。在18台电子发动机的带动下，每条腿都转动，形似一个巨大的蜘蛛。此外，“舞王”的基座上还装有用于控制和监视的电脑。据报道称，“舞王”在一台无线台式电脑的遥控下，不仅可以行走、转弯，还可以爬梯子、翻越45厘米高的障碍物。此外科学家还为它设计了好几种走姿，包括能像螃蟹一样横着行走。据测算，“舞王”15分钟可在平地行走100米。目前，“舞王”
12、能携带用于检查和维修用的照相机、操纵器、监测仪等工具，将来有望在灾区或一些道路险恶的地方发挥作用。舞王我国的机器人事业起步较晚，主要起步于在20世纪80年代术90年代初，但通过多年的努力，但也取得了不少的成绩。近些年来，多足步行机器人技术也有了较大的发展。中国科学院长奋光学精密机械研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等单位和院校都先后开展了多足步行机器人技术的研究|【15】。1991年，上海交通大学电力学院信控系潘俊民教授研制的四足机器人通过鉴定，这是我国第一台具有多功能的四足步行机器人，如图？所示。此外比较有代表性的有上海交通大学研制的小型六足仿生机器人
13、。此外还研制了仿哺乳动物关节的的四足步行机器人，它能以对角线步态行走，通过上位机利用模糊神经反馈信息进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性。图？90年代中期清华大学相继开发了所示双三足步行机器人DTWM如图？，进行了全方位双三足步行机步行理论及其运动学研究，还提出了主动跟踪被动基准方法及调制摆概念。此外还研制了五足步行机WZ-2，如图所示图？DTWM 双三足步行机器WZ-2 五足步行机2005年11月15日，哈尔滨工程大学研制成功一种模块化多足机器人，如图？。该机器人采用仿生学原理，模仿动物神经网络系统进行控制，具有二十四个自由度，可类似人体关节曲伸，通过遥控方式可实现爬行功能。该机器人目
14、前有八只“脚”，还可利用模块拼接的方法增加“脚”的数量。并可广泛应用于探险、搜救、火山监测等领域。图？北京理工大学机电工程学院所设计的仿生六足爬行机器人，中每只腿的各个肢节上分别安装着Maxon直流无刷电机，通过相应关节电机的运动实现机器人各足的足尖点在可达域内任意一点的自由定位。因此，在结构上保证其能够更有效地模拟昆虫的行走方式完成相对复杂的运动要求。 上海大学谈士力教授等科研人员经过3年多时间的协作攻关，研制成功球形壁面爬行机器人。经鉴定，这种机器人的爬行、吸附机理和机构的应用研究，为实用化提供了理论依据和实验平台，并具创新性，其性能达到国际先进水平。此外华中科技大学陈学东等人先后研制了“
15、4+2”多足步行机器人，另外还进一步开发了Mini Quad可重构多足步行机器人，该机器人采用模块化设计，不仅具备了腿/臂融合的机器人的优点，还增加了其可重构性和容错能力。“4+2”多足步行机器人Mini Quad多足机器人课题主要内容随着机器人设计制造技术的不断提高，新型多足步仿生行机器人不断问世。但是，这些高端的多足仿生步行机器人至今大多存在于实验室，同时又很少能够应用于实际，这是主要是因为在复杂的、未知的环境中，现有的多足仿生步行机器人缺乏控制的灵活性和自主性。典型的一个例子是大多数机器人都是在高度的结构化的环境下执行预先规定的动作序列，一旦在新的环境下或遇到意外情况时，不能很好地完成任
16、务。为了解决上述存在的问题，本文拟采用模块化设计思路，将机器人的各个模块进行封装，包括传感器，电机等，从基本的软硬件出发，设计一套能够平稳行走的模块化多足机器人。本文中机器人共有6条腿，每条腿具有3个关节，也就是3个灵活度，针对模块化多足机器人对控制的要求，提出了关于模块化控制的设计思路。论文主要包含了：（1）针对多足仿生步行机器人的机构，根据模块化控制系统的要求，提出了基于TTL电平总线串口通信的机器人控制系统,并从总体上介绍控制系统的结构及其工作过程。模块化的设计不但增强了机器人的可扩展性，还提高了机器人对环境的自适应能力。（2）关节控制是本文的重要部分之一，由于多足仿生机器人每条腿都有3
17、个电机组成，对于电机之间的协调是本文的一个难点，它不仅设计到软件，同样也涉及到硬件。这部分设计的主要特点包括：模块化的控制结构、电机之间相位协调和基于TTL 总线的串口通信。系统中包含了本课题组设计的硬件平台一套，以及软件层面的基于TTL总线的通信协议，通过发送特定的命令帧来控制关节的相位。（3）对于机器人的进行步态规划，本文中拟采用“三角步态”。(待续)系统架构介绍机器人的结构可以是多种多样的，可以是Brooks【16】提出的根据一种依据行为来划分层次和构造模块的思想，并以此提出了基于行为的体系结构（或称包容结构）；也可以是Connell提出的“SSS”的三层结构17，即慎思规划层（Symb
18、olic），包容控制层（Subsumption）、执行层（Servo）；或者是Rosenblatt提出的自组织的DAMN结构19，由一组分布式功能模块和一个仲裁器组成等等。在本系统中我们采用的是Saridis15提出的智能控制系统结构模型-分层控制结构。他在对学习系统研究和自适应控制系统的基础上提出，智能控制系统结构的未来发展趋势是分层控制结构（Hierarchical control structure）。一个基本的分层控制结构，如图？所示，应具有组织级（organization）、协调级（coordination）和控制级（control）。图？（1） 组织级(organization l
19、evel)：组织级通过人机接口和用户(操作员)进行交互,执行最高决策的控制功能,监视并指导协调级和执行级的所有行为,其智能程度最高；（2） 协调级(Coordination level)：协调级可进一步划分为两个分层:控制管理分层和控制监督分层；（3） 执行级(executive level)：执行级的控制过程通常是执行一个确定的动作。分层控制结构的本质是随着控制精度的降低而提高控制智能程度，这种控制结构目前在仿生多足机器人比使用比较广泛，而且这种体系结构层次清晰，各层次功能明确，实现简单，因此能在一个已知的环境下完成复杂的动作。在整个控制系统中，ARM7作为组织级高层智能模块控制模块，通过串
20、行总线与协调级，执行级相互联系，结合各个传感器返回的信息进行融合，完成信息的分析，综合，更新过程。基本结构仿生步行机器人的结构好坏很大程度上决定了机器人的性能。仿生机器人相对于普通的轮式机器人提出了更高的要求，如机器人的步态，稳定性以及协调性。行走过程中如果腿和腿之间没有协调，可能会出现重心不稳，甚至摔倒的现象。机器人在行走的过程中，需要不断的调整重心或者平衡点来保证不会摔倒，这是动平衡。动平衡的处理上控制器需要不断的将机器人的平衡状态反馈回来，然后调整重心或者加速度来满足平衡的要求，但是这个就需要很好的控制算法和平衡方式。在设计初期，更多的考虑是静态平衡。事实上，机器人的动态可以分解为多个静
21、态平衡来处理，因为静态平衡的物理特性和行走方式等直接影响动平衡。六足机器人的动作经过静态分解后，通过各个舵机之间的协调，能很大程度的降低机器人在行走的过程中出现严重偏离平衡的可能。为了达到良好的平衡效果，本设计中主要采用了两种方式：（1） 三腿布局，在任何时刻都至少有三条腿着地；（2） 降低重心，从而保证机器人重心处于其投影面内；在本系统中，六条腿的构造将直接影响到仿生机器人的步态规划以及协调性等。其结构包括腿的各腿的自由度以及腿的分布。六足机器人共含六条腿，每条腿上有三个舵机，如图？，对应三个自由度，整个系统共18个自由度。第一个舵机能够水平方向移动，第二个和第三个舵机通过接插件垂直的绑在一
22、起，根据舵机的位置以及舵机转轴的布局，使得腿在垂直方向有很大的灵活性。相比行星齿轮，蜗轮蜗杆和直流电机来设计实现机器人的腿的三个关节，这样的好处在于它避免了太多机械上的复杂的东西，但同样可以灵活的控制机器人的关节运动。系统可以通过各个关节的控制以及足与足之间的运动协调来完成机器人的运动。 图？如图？所示，仿生六足机器人的腿是分布在机器人的四周， 而不是两侧。这样的好处在于机器人处于一个相对稳定的使得机器人的重心相对于投影面比较稳定，并且能保证任何一个时刻至少有3条腿作为支撑，同时这样的设计业是因为本身尺寸安装的原因，如果勉强都将退装在一侧，就会发生腿和腿之间的碰撞，影响系统的稳定性以及行走时步
23、伐的协调等。自然界是否存在如此分布腿的动物就不得而知，但是自然界的生物的运动机理，以及表现出来的行走模式，步态协调对本系统具有很大的启迪作用。此外，系统这样的设计的另一个好处在于系统可以很好的实现原地转弯灯动作。这个类似蜘蛛的仿生六足机器人机械上包含了3对结构完全相同的腿，中间是控制器的所在。每条腿都包含3个舵机，舵机之间采用塑料的接插件，螺丝，螺母等将舵机相互连接。整个机身外壳采用塑料材质，但具有很好的硬度，能承受较大的力矩，同时也减轻本身的质量。接插件本身有不少螺丝孔，方便系统的安装。控制系统方案控制系统是机器人的大脑，他的优劣程度直接决定了整个机器人的性能。六足仿生机器人是一个很复杂的控
24、制目标，除了硬件的搭建之外，更重要的是对机器人每个关节的准确控制。当然，机器人步态的规划也是一个重点，六足共十八个灵活度之间的相互协调也是本文的难点之一，它既要保证机器人在正常的情况下稳定行走，不至于出现摔倒等现象，还要保证机器人各条腿之间相互协调，完成一个系列的运动。此外，如果考虑到环境的不同，机器人的步态也需要作出相应的调整。仿生六足机器人的运动不仅需要足内各关节之间的协调，而足与足之间的协调对系统的稳定性也十分重要。因此控制系统不仅要控制每个足内各个关节的运动，而且还要控制足与足之间的协调运动。机器人常用的控制方法有集中式控制和分布式控制等31。其中集中式控制将控制算法交由主控制器来完成
25、32，但是这种方式很大程度上加重了主控制器的运算负担。尽管我们可以采用高速的处理器来加速运算，但是这种方式加大了开发的成本以及开发的难度，调试难度等，也很难满足整个机器人设计的思路和理念。因此这种控制方式我们并不采用，而采用分布式控制，即模块之间具有独立性，由控制器作为各个模块之间的协调和裁决。本文研究的六足仿生足步行机器人采用的是基于TTL电平的串行总线的分布式控制方式，采用模块化设计完成本系统。由于仿生六足步行机器人控制系统的主要是负责实现多关节和多足之间的协调运动控制，因此这对通信速率、可靠性和实时性提出了较高要求。同时为了便于扩展，实现开放性，总线的接口也必须要求是统一的。本设计采用的
26、TTL电平的串行总线能够满足以上要求，采用串口通信，但是速度达到了1M bps，而且基于TTL电平的串行总线的控制系统设计有利于实现多足步行机器人软件和硬件的模块化。控制系统结构如图？所示。图？由图可知，机器人输出的数据大部分是在TTL电平的串行总线上，如传感器，舵机的数据都是通过总线形式和控制模块进行数据的交互。由于控制模块和PC之间的通信对系统的影响并不大，所以没有必要采用相对高速的通讯接口，如USB，所以我们也采用串口进行通讯的，不同的是进行了MAX232电平转换，速度也降为115200bps，工作模式是全双工模式，能进行实时的数据通信。这样的好处在于串口通信的开发难度较低，也便于后期的
27、调试，而且还能满足系统需求。机器人控制平台有硬件和软件两部分构成，如图？所示。图？硬件控制方案系统中硬件的主要任务是合理的选择处理器，舵机，传感器以及一些外围电路器件，并最终设计出一套控制六足仿生步行机器人的控制器。系统中机器人是具有三对不同位置上，但是结构相同的腿，系统中共包含有18只电机应该18个关节，因此对于控制系统的设计就显得相对复杂了。机器人的硬件结构示意图如图？所示图？本系统中考虑到内部模块之间的数据通信和与PC之间的串行通信，而且两者不仅速率上有差别，而且最终的电平上也有差别，如与PC通信一般使用9600或者115200，电平采用max232进行电平转换，而内部模块之间使用采用的
28、TTL电平，速率为1M，故对于芯片的要求是至少要有2个串行通讯口。另外出于对控制芯片处理速度，功耗等性能的考虑，我们采用ATmel公司推出的AT91SAM7S64芯片，这款芯片对系统实时性，硬件本身地带功能，可扩展性，功耗等的要求都能表现良好，而且这款芯片具有64K的flash，而且还支持内部flash编程，节省了eeprom，外扩flash等，从而降低了成本。为了更好的快速准确的控制机器人，本文中采用模块化思想扩展了诺干个传感器，如超声，铺设在机器人的不同位置，而这些外加的传感器通过电路驱动后，由单片机进行数据的整理，最终将数据封装来满足系统中的通讯协议；除了系统本身自带的传感器和扩展的传感
29、器之外，为了在突发情况或者外部环境复杂的情况下，机器人能表现出良好的性能，系统中还扩展了无线模块等，用于和后台之间的通信。ARM7作为本系统的核心控制，通过下面将会讲到的通信协议和系统中的节点进行通信控制，从而最终实现系统平台的智能化。控制系统软件设计本系统软件设计的主要目的是在硬件设计规划的基础上，设计出一套软件系统来完成机器人的各个动作，并最终完成机器人的运动。为了提高系统的可靠性、可扩展性、以及硬件的可重构性，我们采用模块化设计的思路，同时模块化设计也方便了系统后期的调试。整个系统采用EDA中常用到的设计方法-自顶向下，功能分层设计，到了最底层时候代码量也大大减少，也有人称之为积木式编程
30、法。这种方法的设计有点是：1） 减少了系统投入，不再需要复杂的电路以及芯片；2） 采用模块化设计，对于单一的模块而言，易于编程，易于调试；3） 对于整个系统而言，出了问题可以直接定位在某一个特殊的模块；4） 这种设计方法目标明确，并以最终目的不断扩展；5） 易于掌握进度，由于采用模块化设计，系统任务可以根据模块来区分是否已经完成；6） 增加了扩展性，以及开放性系统中软件主要可以分为5个模块，初始化模块，主程序，定时器模块，外部中断模块，串口中断模块，如图？所示图？（1）初始化模块：此模块主要用于上电或者复位后，对CPU的寄存器以及外围电路的基本配置，如初始化串口通信模块，打开串口接收中断，初始
31、化外围电路等。此外也初始化系统的变量，包括变量的定义，变量的赋初值。（2）主程序模块：系统一旦初始化结束后，就进入系统运行状态。如果一旦有中断到来，就要转入中断服务子程序，当中断结束后，中断子程序返回主程序，运行主程序中的命令，同时等待下一个中断的到来。标准的IO函数都是不可重入函数，而我们的串口通信函数同样也是不重入函数，由于没有操作系统的辅助，也就没有信号量或者互斥量。如果中断和主程序同时有数据发送，则可能会出现主程序在发送数据时，中断触发并相应，当此时中断也发送数据，结果是主程序发送的数据无效。为了防止这一现象，我们统一采用主程序进行数据的发送，中断则只是置位相关的标志位等。考虑到中断程
32、序应该是短而有效的，故绝大部分的任务是在主程序中完成的。（3）定时器中断模块：定时器主要是计时功能，计时控制板向舵机等节点发送数据周期，以及系统内部分计数功能。（4）串口通信中断模块：该模块是串口通信接受数据中断，在系统设计的初期，使用串口本身功能，每次接受一个字节，并根据数据长度判断数据帧是否已经结束，然后做一个简单的数据校验，判断帧是否正确，并将数据带入主程序模块。（5）外部中断模块：由于系统中扩展了无线模块，在无线模块初始化结束后，就可以进行数据通信，无线模块采用模拟SPI接口。当无线模块收到数据后，将会产生外部中断。硬件设计要实现仿生多足步行机器人稳定，协调的行走，壁障，甚至越障等功能
33、，除了高级控制算法和控制模式之外，对于硬件也提出了很高的要求。首先我们需要一个选用一个性价比高的CPU，而不会去选择使用分立元件构建。为此我们选择ATmel公司推出的AT91SAM7S64作为主控制芯片，它是一款ARM7芯片，不仅实时性好，而且还具有丰富的可用资源，如定时器，两个串口，一个debug口等。其次对于电路的整体设计，虽然电路采用模块化设计，主控制电路会相对简单，但是电路的合理布局，扩展接口的预留是很重要的。在本系统中，机器人共包含了6条腿，18个自由度，对应18个舵机，以及传感器等部件，系统控制相对比较复杂。下面的内容将介绍系统的硬件资料。芯片及外围电路系统设计以应用为中心，以微电
34、子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求，同时这就是嵌入式系统的设计理念。单片机，ARM，DSP，FPGA/CPLD是最常出现的嵌入式处理器，每个各有各的优缺点，比如从运算能力上看，单片机最弱，DSP最强，ARM居中；一般单片机主要应用于不需要太多计算量的控制类系统，DSP则主要应用于需要进行复杂计算的高端系统，例如图像处理，加密解密，导航系统等，外围module一般较少，ARM是单片机和DSP之间的一个折衷，而且ARM控制能力强，最适合用于最适合用于系统控制。本系统中我们采用ATmel公司推出的AT
35、91SAM7S64，它是一款高性能的32 位RISC架构的芯片。AT91SAM7S64是一款低功耗、高性能的32位微控制器，表现在：（1） 它具有64K字节的片上高速flash存储器，页编程时间为4 ms，扇区锁定功能，Flash安全锁定位；（2） 16K字节的片内SRAM 存储器，可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作；（3） 拥有存储控制器，支持嵌入式flash编程；（4） 时钟发生器(CKGR)，低供耗RC 振荡器，3 到20MHz 的片上振荡器和一个PLL，其中PLL作为本系统的主时钟，将系统的频率从18.432 Mhz提高到47.9232Mhz;（5） 先进的中断控制器(AIC)
36、，具有8个优先级的向量式中断源；（6） 提供DEBUG功能，提供ICE功能，极大的方便了系统的调试；（7） 看门狗，12位受预设值（key）保护的可编程计数器；（8） 11 个外设数据控制器(PDC) 通道，其中我们使用了串口的PDC功能，使用外设数据控制器避免处理器干涉并减去了处理器中断处理开销，显著减少了数据传输所需时钟周期数并提高了微控制器性能，使其更加高效。（9） 提供2个USART，这是我们系统通信的关键；（10） 提供了3个16位定时器，为系统提供了时间基准；除此之外，芯片还集成了周期性间隔定时器(PIT)，实时定时器(RTT)，USB 2.0 全速(12 Mbps)设备端口等等功
37、能。对于本系统而言，64K的程序储蓄空间除了存储本身的代码之外，还能被用于扩展为数据存储器，这样的好处在于系统不用再多去增加外部存储器，如eeprom。16K的SRAM，47.9232M hz的时钟速度对系统的实时性也提供了很好的保证。最小系统最小系统，如图？所示，并没有包含没有包含LED指示灯，电源模块，而是通过网络标识的方式连接，此外图中也并没有标识出两个串口通信的主要管脚的网络标识,即TXD0,RXD0,TXD1 ,RXD1。在本系统中，为了方便系统调试，采用LED进行辅助调试，LED在电路中的接法为LED上拉，即LED一头连接芯片管脚，一头连接373电阻，这个电阻拉到到VCC。这样的考
38、虑是因为虽然芯片能输出8mA,甚至是16mA的电流，但是如果直接使用管脚驱动不仅在亮度上会比较暗，而且还增加了系统功耗。图？最小系统系统采用18.432M hz的晶振，采用10pF的电容帮助起振。此外该电路中的电源输入如VDDOUT，VDDPLL,VDDFLASH，VDDIO，VDDIN等电源输入之前都有滤波。根据datasheet指明，VDDOUT必须有足够的解耦电容以减少纹波和防止振荡。最好的方法是并联两个电容于VDDOUT和GND之间：一个470 pF (或1 nF) NPO材质的电容，尽量靠近芯片；另一个是2.2 F ( 或3.3 F) X7R材质的电容。所以在电路中C7,C8分别了1
39、nF,2.2uF。而系统中其余的滤波电容均采用104电容。这是由于数字电路运行时会会产生较大的脉冲电流或者尖峰电流，为了让系统稳定的运行，正确的逻辑不被干扰，必须采用这些去耦电容来消除尖峰。这些电容的另一个作用就是降低系统噪声。比较特殊的是PLLRC处的滤波，系统使用了PLL功能，如图？所示，PLL需要通过PLLRC 引脚与一个外部二阶滤波器连接。与PLLRC 连接的R、C1与C2值由PLL 输入频率、PLL输出频率及相位容限确定，在这里我们选择1.5K,1nF, 10nF。图？电源AT91SAM7S64有6种类型的电源输入引脚以及一个集成的电源调节器，使得器件可以工作于单一电压。这6 种电源
40、引脚类型为：（1） VDDIN：电压调节器的电源输入。输入电压范围是3.0V 到3.6V，标称值为3.3V。如果不用电压调节器，则VDDIN 应该连接到GND。（2）VDDOUT：电压调节器的输出， 1.8V。（3）VDDIO：I/O及USB 的电源。支持电压范围为3.0V 到3.6V，标称值为3.3V。（4）VDDFLASH：为Flash 部分地提供电源，而且是Flash正确工作的先决条件。电压范围为3.0V 到3.6V，标称值为3.3V。（5）VDDCORE：芯片逻辑部分的电源。电压范围从1.65V 到1.95V，典型值为1.8V。可以通过解耦电容连接到VDDOUT 引脚。VDDCORE
41、是器件内核，包括Flash正确工作的前提。（6）VDDPLL： 振荡器和PLL的电源。可以直接连接到VDDOUT。各个输入电源并没有独立的地回路引脚，因此在PCB布线时候GND与系统地平面的连接应尽可能短。根据要求，系统的电源采用3.3V，通过HT7533-1，如图？所示，当然也可以采用LM1117-3.3电源模块。图？图中LED用来作为电源指示灯，输入和输出级均有104和105电容作为滤波，同时每个输出的3.3V电压都需要滤波。AT91SAM7S64电源的相对复杂，输入电源为5V，经过HT7533-1转换后电压转换为3.3V，而它内部也有一个电压调节器，如内核电压通过内部调节电压变为1.8V
42、，如图？所示。图？串口通信本系统中包含了两组串口通信，一个是AT91SAM7S64与PC之间的通信，如图？所示，需要使用MAX232进行电平转换，通过DB9与PC进行连接。另一个是TTL电平的串行总线，这个电平不需要芯片的转换，在电路减弱的时候也没有专用的电路进行增幅等，该总线并不能像485总线或者CAN总线那个，所以总线的传输距离并不远，意味着系统的节点不可能无线增加。图？JTAG接口AT91SAM7S64 具有调试及测试能力。JTAG/ICE (In-Circuit Emulator) 用于标准的调试功能，如下载代码，在程序里实现单步执行等。这为我们调试程序提供了极大的便利，电路如图？所示
43、，将TDI,TMS,TCK,NTRST通过4.7k电阻全部上拉，电源采用10nF电容滤波。图？扩展接口系统为了方便扩展，将所有的IO口引出，虽然这一定程度上增加了成本，但为今后的扩展或者调试更加了不少方便之处，除此之外，由于AT91SAM7S64系统本身具有USB功能，所以在扩展接口中也预留了USB接口，如图？所示。图？ 预留USB接口电路设计总结电路设计过程中，如何让电路稳定，可靠工作是电路中必须要考虑的问题，这包括电路元器件的选型，电路的布线，布局分布，电路制作工艺的选择等。本系统中采用的是Protel 99se进行电路制图，电路板除了美观之外，更应该注重性能。我们在设计和制作中也总结了相
44、应的经验。（1） 在芯片选型上，我们尽量采用贴片封装，这样既方便焊接，也节省了电路板的空间；（2） 电路板层数选择上，本系统采用的是双层电路板，而没有选择4层或者6层，主要考虑到电路总体结构并不复杂，电路中的频率为47.9232Mhz，并不算真正意义上的高频，2层电路板的性能和价格都能让人满意；（3） IO口上拉，不得不说，AT91SAM7S64的IO都是标准的输入输出IO口，但是将IO口上拉的习惯是从51单片机延续过来的，IO口上拉可以避免输出时出现乱码的情况；（4） 滤波电容的放置，滤波电容主要用于去除电路中电流的毛刺，对于系统的稳定性有很大的作用。因此在这些电容的放置的时候，应该尽量靠近
45、那些需要滤波的管教，否则，滤波电容将起不到应有的作用；（5） 模拟和数字电路的分离，系统中的模拟部分以及本系统的后期加入了无线模块，都有模拟地，在电路布局时将数字和模拟分开布局，数字地和模拟地中间可以采用0欧姆电阻进行相连，这样减少相互的干扰；（6） 为了保持电路的稳定，电源是很重要的，所以在电源处以及电源的背后，尽量不去布局其他的元器件；（7） 布线，首先线与线之间要保持合理的距离；其次是电源线应该比普通的线要粗，可以选择30mil，甚至是50mil的线宽；布线尽量采用蜘蛛线，避免垂直相交的线条；布线避免信号之间的干扰，可以使用仿真并测得结果；最后可以将整个板子铺地；（8） 布局，良好的布局
46、时系统稳定的保障，也为最终的布线提供了良好的保障。在布局上，如接插件元器件放在电路四周，晶振尽量靠近管晶振输入脚，而且布线时候等长等；（9） 在电路完成之后，基本的电路性能检查是不可或缺的，如果有可能还可以进行电路仿真。舵机介绍舵机AX-12是机器人专用的伺服电机，作为机器人的关节使用。根据模块化设计，舵机中集成了马达，减速装置，控制芯片，传感器 以及通讯网络。当把AX-12+用作关节时，它可以旋转0300，并能完成速度控制和位置控制。为了控制位置我们设定了01023 的值。例如，如下图，位置值0 是0，位置值512 是150，位置值1023 是300等等，如图所示。 图？舵机介绍AX-12重
47、量55变速齿轮比例1/254输入电压7V10V最大力矩(kgf.cm)1216.5角度控制300，无线旋转电压7V10V(推荐位9.6V)工作温度-585信号数字帧协议类型半双工的异步串口通信物理连接TTL电平ID0 253精度控制300/1023 = 0.29通讯速率7343bps1M bps反馈信息位置，温度，负载，输入电压等外壳材质工程塑料每个舵机共含2组管脚，分别是电源脚，地，以及信号脚。本系统中采用的舵机和其他普通的舵机有很大区别，如图？，本系统中的舵机采用精确控制，并最终得到了精确的运动曲线，相比于普通的舵机，本系统中的舵机性能曲线更加平滑，没有出现明显的尖锐，这也大大的保护了电机
48、本身图？总线结构系统采用半双工异步串行通讯，也就是同一时刻最多只能有一个发送，而系统中其他节点则为接受。系统采用TTL电平，采用类似于RS485总线的模式进行通讯。通过3帧的数据线把相邻的两个舵机相连接，采用串行模式将舵机和核心控制相连接。系统采用统一的比特率，并且波特率错误率控制在3%之内，事实上系统中波特率的误差为误差为0.16%。虽然并行连接的模式对于相应更快，而且一个节点出现问题，不至于会影响后面的节点，但是并行也有其致命的缺点。并行模式连接不但需要在主控制设置很多连接点，而且并行的连接方法并不没关，甚至会影响性能，如图所示图相比之下，采用串行连接模式，如图所示，虽然对于节点的相应不及并行模式，但是在本系统中采用1