來源：電子技術應用 作者：雷 勇 馬偉富 涂國強
摘要：根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和運動要求，設計并研制了基于PC機和DSP的主從計算機控制系統。闡述了該控制系統中DSP控制器的工作原理，給出了自適應LMS算法程序。實驗結果表明，該控制系統具有較好的動態特性。
關鍵詞：DSP 變幾何桁架機器人 濾波器 LMS算法
八面體變幾何桁架機器人是通過八面體機構中可伸縮構件的長度li(i=1,2,…，6)變化實現桁架機構運動的機器人。它具有剛度大、承載能力強和靈巧性好等特點，并能設計成可折疊機構。

本文根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和工作牧場 生，提出基于TMS320VC5410 DSP的微動機器人控制系統方案，并研制出相應的控制系統。

1 微動機器人控制系統總體結構
根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和工作特性，采用如圖1所示的主從計算機控制系統。該系統采用PC機作為主控計算機，實現人機交互功能和運動軌跡的規劃；以六個TMS320LC5410 DSP芯片對機器人的六個壓電陶瓷微位移器進行控制。

系統中各部分的功能如下：
（1）主計算機
直接接收外界的控制命令和參數，對機器人位置進行實時監控并顯示信息；向下級DSP控制器發出各種控制命令等。

圖3

（2）DSP控制器
接收主計算機送來的命令和相應的位置信息，實時檢測被控壓電陶瓷微位移器的狀態值；依據給定量和實際檢測量的差值進行控制策略的計算，以求出被控對象應有的控制信息。
（3）應變計和A/D輸入
系統中壓電陶瓷的位置反饋信號來源于貼在彈性變形體上的電阻應變片的電壓，此電壓經精密運算放大器電路和A/D轉換電路送入到DSP內部。
（4）D/A輸出和驅動電源
DSP控制器輸出的數字信號要經過D/A轉換器變為模擬電壓信號，并經功率放大驅動壓電陶瓷。系統中采用自制的壓電陶瓷驅動電源。

2 DSP控制器工作原理
在對壓電陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作為處理器，加上外圍電路（A/D和D/A）構成DSP應用系統，實現對微位移器的閉環控制，如圖2所示。該系統是一個獨立的DSP應用系統，外部配有64K×16位SRAM，可作程序或數據存儲器用；128K×8位FLASH（閃存）E2PROM，存放程序和常數。在boot loader方式下，把E2PROM中程序安裝在TMS320VC5410程序SRAM中，并接著運行該程序。該系統配有USB接口芯片，通過1K×8位的雙向FIFO與TMS320VC5410 DSP進行通信。該USB芯片是一個從USB接口芯片，可直接與PC機或筆記本電腦進行高速數據傳輸。
另外，本系統還采用TLC320AD50C芯片實現數據采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C內部有一路A/D和D/A，字長16位，最高采樣率為22.05kHz。TMC320AD50C使用過采樣（OverSampling）的∑-Δ技術提供從數字至模擬（D/A）和模擬至數字（A/D）的高分辨率低速轉換。該器件包括兩個串行的同步轉換通道（用于各自的數據方向）；在DAC之前有一個插入濾波器（Interpolation Filter），在ADC之后有一個抽取濾波器（Decimation Filter）；其它的高級功能有片內時序和控制。∑-Δ結構在低系統速度和低價格下實現高分辨率的模/數和數/模轉換。該器件的選項和電路結構可通過串行接口進行編程。其選項包括：復位、掉電、通信協議、串行時鐘率、信號采樣率、增益控制及測試方式等。TLC320AD50C的工作溫度范圍為0℃～70℃，適用于一般工業機器人的工作環境。圖3為TMS320VC5410與TLC320AD50C的連接電路。

圖5

在機器人工作環境中存在很多干擾，為提高機器人的抗干擾性能，在DSP中加入了濾波程序，濾波器結構采用橫向FIR結構，濾波方法采用自適應濾波。在算法方面，雖然RLS算法效率高、向最佳估計值收斂得快，但比較復雜：LMS算法簡單而易于實現，能滿足本項目的要求，足以保證性能，所以選用LMS算法。在階數選取上，低則濾波效果不好，高則計算量大、不能滿足實時性要求。為此，在滿足實時性的前提下，同時兼顧濾波效果也盡可能好，經實驗選取濾波器階數為32階。濾波器基本算法如下：
①for(k=0,k<32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k)
②e(n)=d(n)-y(n)
③for(k=0,k<32,k++)w(k)+ μ*e(n)*x(n-k)
算法程序流程如圖4所示。
圖5（a）為濾波前的信號，圖5（b）為加入高斯噪聲的信號，圖5（c）是經過32階FIR濾波器進行自適應濾波后的信號波形。可見能很好地去階干擾，取得比較好的濾波結果，提高了機器人的抗干擾性能。

來源：電子技術應用 作者：雷 勇 馬偉富 涂國強
摘要：根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和運動要求，設計并研制了基于PC機和DSP的主從計算機控制系統。闡述了該控制系統中DSP控制器的工作原理，給出了自適應LMS算法程序。實驗結果表明，該控制系統具有較好的動態特性。
關鍵詞：DSP 變幾何桁架機器人 濾波器 LMS算法
八面體變幾何桁架機器人是通過八面體機構中可伸縮構件的長度li(i=1,2,…，6)變化實現桁架機構運動的機器人。它具有剛度大、承載能力強和靈巧性好等特點，并能設計成可折疊機構。

本文根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和工作牧場 生，提出基于TMS320VC5410 DSP的微動機器人控制系統方案，并研制出相應的控制系統。

1 微動機器人控制系統總體結構
根據八面體變幾何桁架微動機器人的結構特點和工作特性，采用如圖1所示的主從計算機控制系統。該系統采用PC機作為主控計算機，實現人機交互功能和運動軌跡的規劃；以六個TMS320LC5410 DSP芯片對機器人的六個壓電陶瓷微位移器進行控制。

系統中各部分的功能如下：
（1）主計算機
直接接收外界的控制命令和參數，對機器人位置進行實時監控并顯示信息；向下級DSP控制器發出各種控制命令等。

圖3

（2）DSP控制器
接收主計算機送來的命令和相應的位置信息，實時檢測被控壓電陶瓷微位移器的狀態值；依據給定量和實際檢測量的差值進行控制策略的計算，以求出被控對象應有的控制信息。
（3）應變計和A/D輸入
系統中壓電陶瓷的位置反饋信號來源于貼在彈性變形體上的電阻應變片的電壓，此電壓經精密運算放大器電路和A/D轉換電路送入到DSP內部。
（4）D/A輸出和驅動電源
DSP控制器輸出的數字信號要經過D/A轉換器變為模擬電壓信號，并經功率放大驅動壓電陶瓷。系統中采用自制的壓電陶瓷驅動電源。

2 DSP控制器工作原理
在對壓電陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作為處理器，加上外圍電路（A/D和D/A）構成DSP應用系統，實現對微位移器的閉環控制，如圖2所示。該系統是一個獨立的DSP應用系統，外部配有64K×16位SRAM，可作程序或數據存儲器用；128K×8位FLASH（閃存）E2PROM，存放程序和常數。在boot loader方式下，把E2PROM中程序安裝在TMS320VC5410程序SRAM中，并接著運行該程序。該系統配有USB接口芯片，通過1K×8位的雙向FIFO與TMS320VC5410 DSP進行通信。該USB芯片是一個從USB接口芯片，可直接與PC機或筆記本電腦進行高速數據傳輸。
另外，本系統還采用TLC320AD50C芯片實現數據采集和控制，該芯片的工作過程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C內部有一路A/D和D/A，字長16位，最高采樣率為22.05kHz。TMC320AD50C使用過采樣（OverSampling）的∑-Δ技術提供從數字至模擬（D/A）和模擬至數字（A/D）的高分辨率低速轉換。該器件包括兩個串行的同步轉換通道（用于各自的數據方向）；在DAC之前有一個插入濾波器（Interpolation Filter），在ADC之后有一個抽取濾波器（Decimation Filter）；其它的高級功能有片內時序和控制。∑-Δ結構在低系統速度和低價格下實現高分辨率的模/數和數/模轉換。該器件的選項和電路結構可通過串行接口進行編程。其選項包括：復位、掉電、通信協議、串行時鐘率、信號采樣率、增益控制及測試方式等。TLC320AD50C的工作溫度范圍為0℃～70℃，適用于一般工業機器人的工作環境。圖3為TMS320VC5410與TLC320AD50C的連接電路。

圖5

在機器人工作環境中存在很多干擾，為提高機器人的抗干擾性能，在DSP中加入了濾波程序，濾波器結構采用橫向FIR結構，濾波方法采用自適應濾波。在算法方面，雖然RLS算法效率高、向最佳估計值收斂得快，但比較復雜：LMS算法簡單而易于實現，能滿足本項目的要求，足以保證性能，所以選用LMS算法。在階數選取上，低則濾波效果不好，高則計算量大、不能滿足實時性要求。為此，在滿足實時性的前提下，同時兼顧濾波效果也盡可能好，經實驗選取濾波器階數為32階。濾波器基本算法如下：
①for(k=0,k<32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k)
②e(n)=d(n)-y(n)
③for(k=0,k<32,k++)w(k)+ μ*e(n)*x(n-k)
算法程序流程如圖4所示。
圖5（a）為濾波前的信號，圖5（b）為加入高斯噪聲的信號，圖5（c）是經過32階FIR濾波器進行自適應濾波后的信號波形。可見能很好地去階干擾，取得比較好的濾波結果，提高了機器人的抗干擾性能。