自平衡人形機器人動作控制器的設計

動作控制器主要由3個MSP430F149并行工作，每個MSP430F149控制8個舵機，總共實現(xiàn)對24個舵機的控制。每個MSP430F149有定時器TA和定時器TB兩個模塊，其中定時器TA通過比較模式輸出2路PWM波控制2個舵機，定時器TB通過比較模式輸出6路PWM波控制6個舵機。而且定時器工作在比較模式下時，能在一次設置完成后，不需要CPU干預的情況下持續(xù)進行PWM輸出，同時保證各路信號之間沒有干擾，因此一路比較輸出即可獨立控制一個舵機，動作控制器可實現(xiàn)對多達24個舵機的控制，對多關(guān)節(jié)人形機器人提供足夠的控制通道。
采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動作控制器的設計方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機也沒出現(xiàn)死機或跑飛的現(xiàn)象。
MSP430F149輸出為3．3 V TTL電平，而舵機控制信號要5 V TTL電平，在實際電路設計中要進行電平轉(zhuǎn)換?？紤]到舵機的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。
舵機動態(tài)工作時，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實驗表明：由于舵機瞬時供電不足，致使舵機力矩不夠，運動不能達到預先的姿態(tài)效果，在反復探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時大電流，由于舵機數(shù)量大，設計時在舵機電源處并接大容量電容，總?cè)萘?．22F×6。正常小電流工作時，電容被充電處于飽和，當需要瞬時大電流時，電容能快速放電，從而保證舵機正常穩(wěn)定的工作。
3個MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機，這要求3個MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。
1．2．2 軟件實現(xiàn)
動作控制器的軟件設計，是以硬件為基礎(chǔ)，接收主控制器的命令，對命令進行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機進行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實現(xiàn)流程。