機(jī)器人測控技術(shù)大作業(yè)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)名稱：基于STM32的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制分析設(shè)計(jì) 專 業(yè) 班 級 ： 自動(dòng)1302 學(xué) 生 姓 名 ： 張鵬濤 學(xué) 號 ： 201323020219 指 導(dǎo) 教 師 ： 曹毅 課程設(shè)計(jì)時(shí)間： 2016-4-282016-5-16 指導(dǎo)教師意見：成績:簽名： 年 月 日目錄摘要1第一章 運(yùn)動(dòng)模型建立21.1引 言21.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立21.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)正解4第二章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)52.1機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.1.1臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則52.1.2機(jī)械臂自由度的確定62.2機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制的總體方案62.2.1機(jī)械臂控制器類型的確定62.2.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.2.3關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制策略7第三章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述83.2微處理器選型93.3主控制模塊設(shè)計(jì)93.3.1電源電路93.3.2復(fù)位電路103.3.3時(shí)鐘電路103.3.4 JTAG調(diào)試電路113.4驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)123.5電源模塊設(shè)計(jì)13第四章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)144.1初始化模塊設(shè)計(jì)144.1.1系統(tǒng)時(shí)鐘控制144.1.2 SysTick定時(shí)器154.1.3 TIM定時(shí)器164.1.4通用輸入輸出接口GPIO174.1.5超聲波傳感器模塊17總結(jié)19參考文獻(xiàn)20附錄A21附錄B22設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)兩連桿機(jī)械臂，具體參數(shù)自行設(shè)計(jì)，建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上完成該機(jī)械臂兩點(diǎn)間的路徑規(guī)劃，并給出仿真結(jié)果。設(shè)計(jì)完成上述目標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制器可以自行選擇（單片機(jī)，ARM，DSP，PLC等），其他硬件部分根據(jù)系統(tǒng)所需要完成的功能自行選擇，基本要求要體現(xiàn)系統(tǒng)的輸入，輸出信號和人機(jī)交互界面，畫出整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（電路模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，控制模塊等）和軟件部分。摘要由于機(jī)械臂在各行各業(yè)中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用，機(jī)械臂控制的多樣化、復(fù)雜化的需要也隨之日趨增多。作為當(dāng)今科技領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，提高機(jī)械臂的控制精度、穩(wěn)定性、操作靈活性對于提高其應(yīng)用水平有著十分重要的意義。 經(jīng)過仔細(xì)的分析和研究之后，我選擇的是STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，而自由臂選擇工業(yè)中常見的四自由臂進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模分析，運(yùn)動(dòng)的控制選用舵機(jī)進(jìn)行控制。首先根據(jù)機(jī)械臂系統(tǒng)的控制要求，整體上設(shè)計(jì)出單 CPU 的系統(tǒng)控制方案，即通過控制主控制器輸出的 PWM 波的占空比實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的位置控制。在硬件方面，主要論述了如何以 ARM 微處理器STM32F103ZET6、MG995舵機(jī)為主要器件，通過搭建硬件平臺和設(shè)計(jì)軟件控制程序構(gòu)建關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。然后按照結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思想，依次對以上各部分的原理和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和探討，給出了實(shí)際的原理圖和電路圖。在軟件設(shè)計(jì)方面，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想將控制程序分為初始化模塊和運(yùn)行模塊，并分別對各個(gè)模塊的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：四自由度機(jī)械臂，STM32，運(yùn)動(dòng)模型，脈沖寬度調(diào)制第1章 運(yùn)動(dòng)模型建立1.1引 言機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 機(jī)器人在工作時(shí)，要通過空間中一系列的點(diǎn)組成的三維空間點(diǎn)域，這一系列空間點(diǎn)構(gòu)成了機(jī)器人的工作范圍，此工作范圍可通過運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求得。此外，根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解求得各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、離線編程、軌跡規(guī)劃等工作。機(jī)器人控制的目的就在于它能快速確定位置，這使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解問題變得更為重要。只有計(jì)算與運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解問題相關(guān)的變換關(guān)系在盡可能短時(shí)間內(nèi)完成，才能達(dá)到快速準(zhǔn)確的目的。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方程正解過程中，只體現(xiàn)在矩陣相乘關(guān)系上，相對簡單。1.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立本文所研究的機(jī)器人由四個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和四個(gè)連桿組成，故為四自由度機(jī)器人，如圖1.1所示。圖1.1用齊次坐標(biāo)來描述機(jī)器人各連桿相對于參考坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系；用44的齊次變換矩陣來描述相鄰兩桿的空間幾何關(guān)系；從而推導(dǎo)出機(jī)器人手爪坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的空間位姿關(guān)系，利用該法得到的D-H參數(shù)如表1所示。圖1.2機(jī)器人連桿坐標(biāo)系表1 機(jī)器人連桿的D-H參數(shù)連桿變換表示連桿坐標(biāo)系i相對于i-1的變換，根據(jù)連桿變換的通式: （1）其中：得到各連桿之間的變換矩陣 （2） （3） （4）式中：s1,s2,s3,s4;c1,c2,cs3,c4分別表示sin1,sin2,sin3,sin4; cos1, cos2, cos3, cos4以下同。由矩陣(1）可知：連桿變換依賴于四個(gè)參數(shù)和，其中只有一個(gè)參數(shù)是變化的，對于本文所研究的機(jī)器人，顯然只有為變量，其余三個(gè)參數(shù)為常量。1.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解指：在已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量i(i=1,n)的基礎(chǔ)上，求解出機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置矢量p和姿態(tài)矢量n,o,a的過程。將連桿變換矩陣(2)(4)相乘，便得到了該機(jī)器人手爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 (5)其中，機(jī)器人手爪姿態(tài)方程為機(jī)器人手爪的位置方程為為檢驗(yàn)所得結(jié)果的正確性，取1=90,2=0,3=-90,4=0計(jì)算的值。結(jié)果為:與圖1所示機(jī)器人手爪的位姿完全一致，表明所得結(jié)果正確。這樣只要知道關(guān)節(jié)變量1,2,3和,4的值，就可以完全確定機(jī)器人手爪的位置和姿態(tài)。第2章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則作為機(jī)械臂的一個(gè)重要組成部分，手臂不僅起到支撐被抓物體、手爪和其他關(guān)節(jié)的作用，而且還可以驅(qū)動(dòng)手爪抓取物體，并根據(jù)事先預(yù)定的位置將物體搬運(yùn)到指定地點(diǎn)。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式必須基于其運(yùn)動(dòng)形式、動(dòng)作自由度、抓取質(zhì)量、受力情況和其他的因素來確定，整個(gè)系統(tǒng)的總質(zhì)量比較大，受力也比較復(fù)雜，其運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量直接影響到機(jī)械臂的剛度和強(qiáng)度。所以，進(jìn)行手臂的設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)注意下述要求：（1）剛度要大。為了避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生較大的形變，要合理選擇手臂的截面形狀。（2）導(dǎo)向性要好。為了避免機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生不必要的相對運(yùn)動(dòng)，臂桿最好設(shè)計(jì)成方形或是花鍵等形式。（3）偏重力矩要小。要盡可能減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量。該設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械臂的功能及搬運(yùn)工作的任務(wù)的特點(diǎn)以及類型，為了使其在一定程度上具有操作的靈活性和運(yùn)行性能的良好，經(jīng)過多次的比較、討論后，該設(shè)計(jì)選用多關(guān)節(jié)型的機(jī)械臂，它不僅具有動(dòng)作的角度大的優(yōu)點(diǎn)，還可以使機(jī)械臂在更大的空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。2.1.2機(jī)械臂自由度的確定機(jī)械臂的自由度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，取決于機(jī)械臂的類型及其結(jié)構(gòu)，并且在很大程度上直接決定到機(jī)械臂能否完成預(yù)定的任務(wù)。一般來說是根據(jù)機(jī)械臂的用途來設(shè)計(jì)機(jī)械臂的自由度。自由度越多的機(jī)械臂，具有更大的運(yùn)動(dòng)的靈活性，通用性也越強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械臂采用四個(gè)自由度就可以完成設(shè)定的搬運(yùn)任務(wù)。其中機(jī)械臂的手臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)四個(gè)關(guān)節(jié)以及末端手爪的開合。2.2機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制的總體方案2.2.1機(jī)械臂控制器類型的確定作為機(jī)械臂的心臟，機(jī)械臂控制器是根據(jù)程序指令和從傳感器獲得的傳感信息來控制機(jī)械臂完成事先預(yù)定的動(dòng)作或任務(wù)的裝置，控制器的性能決定了機(jī)械臂控制性能的好壞。從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方式方面來劃分，機(jī)械臂控制器大約可分為3種：單CPU 集中控制方式、多CPU 分布式控制方式、二級CPU 主從式控制方式。（1）單CPU 集中控制方式：單CPU 集中控制系統(tǒng)必須是一個(gè)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)，它的全部控制功能是用一臺功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。Hero-、Robot- 等這些時(shí)代較早的機(jī)器人采用的就是這種單CPU 集中控制方式的結(jié)構(gòu)，但由于在控制的過程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，因此這種控制方式的控制速度一般比較慢。（2）多CPU 分布式控制方式：多CPU 分布式控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是一個(gè)CPU負(fù)責(zé)控制一個(gè)關(guān)節(jié)軸，同時(shí)在上位機(jī)與單軸控制的CPU 之間設(shè)計(jì)了一個(gè)并行接口，其主要負(fù)責(zé)上、下位機(jī)的通信，從而保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。（3）二級主從式控制方式：該控制方式需要主從兩個(gè)CPU，即上位機(jī)和下位的單片機(jī)兩層結(jié)構(gòu)。上位機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算等任務(wù)，根據(jù)預(yù)定的位置，計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，以指令形式傳送給下位的微處理器。下位的微處理器根據(jù)指令對各關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂系統(tǒng)基于STM32微處理器，利用STM32強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，采用單CPU 集中控制方式即可滿足要求。2.2.2機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本課題研究的機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用單CPU 集中控制方式，系統(tǒng)框圖如下：計(jì)算機(jī)J-Link仿真器舵機(jī)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)STM32關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)圖2.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)用于完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、發(fā)送指令、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。計(jì)算機(jī)通過J-Link仿真器將程序下載至STM32微處理器，向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出位置指令，STM32根據(jù)指令輸出PWM 波，從而使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過指定的角度，進(jìn)而使其按照預(yù)定的軌跡完成搬運(yùn)任務(wù)。2.2.3關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制策略本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，對直流伺服電機(jī)（舵機(jī)）進(jìn)行較為精確的運(yùn)動(dòng)控制。關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理是：STM32微處理器內(nèi)部的PWM 單元產(chǎn)生PWM信號，驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部的齒輪組，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作為位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或者反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖最終趨于為0，從而達(dá)到使伺服電機(jī)的精確定位17。該關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）使用以Contex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器，與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比起來，具有功耗小，運(yùn)算能力大大增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。（2）采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù)STM32微控制器輸出的PWM 控制信號的占空比來確定直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制起來簡單，準(zhǔn)確。第3章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述機(jī)械臂控制系統(tǒng)通常要滿足如下幾個(gè)基本的要求：（1）控制系統(tǒng)的微型化、輕型化和模塊化。（2）控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開放性。該機(jī)械臂控制系統(tǒng)由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成，每個(gè)子模塊的功能如下：主控制模塊：作為該控制系統(tǒng)的核心，包括 ARM Cortex-M3 內(nèi)核和有關(guān)外圍電路，主要負(fù)責(zé)完成 PWM 波（控制信號）的輸出。驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，由舵機(jī)組成。電源模塊：機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用雙電源供電模式，STM32單片機(jī)經(jīng)過AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片供電，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用7.2V可充電電池經(jīng)LM2596 DC-DC 可調(diào)降壓模塊實(shí)現(xiàn)供電。3.2微處理器選型微控制器作為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，如下幾個(gè)方面為重點(diǎn)進(jìn)行微控制器的選擇：系統(tǒng)時(shí)鐘速度運(yùn)算速度功能電機(jī)控制方式ROM及ROM的大小控制板的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過反復(fù)比較，本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32處理器，如圖3.1所示。STM32F103ZET6是基于32位ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，不但支持實(shí)時(shí)仿真，而且嵌入了512KB的高速閃存。CPU 的最高工作頻率為72MHz，支持Thumb-2。圖3.1 STM323.3主控制模塊設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的主控制模塊的硬件系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路以及 JTAG 調(diào)試電路四大組成部分。3.3.1電源電路在硬件電路的設(shè)計(jì)中，電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的，如果不能妥善處理，不但會使電路不能正常工作，嚴(yán)重的還可能燒毀電路。因此，在設(shè)計(jì)電源時(shí)務(wù)必要注意如下幾點(diǎn)：（1）交流輸入和直流輸出盡可能保持更大的距離；（2）地線要足夠粗，單點(diǎn)和多點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)分離模擬地和數(shù)字地；（3）散熱要好，布局應(yīng)合適；圖3.2 電源電路圖如上圖所示，開發(fā)板由7.2V接口供電。板上的電源轉(zhuǎn)換芯片將7.2V接口輸入的7.2V電源轉(zhuǎn)換成5V的電源，然后轉(zhuǎn)換成3.3V給處理器和相關(guān)外圍電路供電。3.3.2復(fù)位電路圖3.3 復(fù)位電路圖如上圖所示，B1為整個(gè)板的復(fù)位按鈕，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，STM32處理器、TFT彩屏等都將復(fù)位。3.3.3時(shí)鐘電路STM32的VBAT 的供電是由外部電源完成的，在有外部電源（VCC3.3）的情況下，VBAT 供電而由外部電源實(shí)現(xiàn)供電。但是，當(dāng)外部電源斷開的情況下， RTC的走時(shí)以及后備寄存器的內(nèi)容就會丟失。相關(guān)電路如下： 圖3.4 時(shí)鐘電路圖3.3.4 JTAG調(diào)試電路軟件程序的編寫通常是需要多次的修改才適用的，因此一些比較先進(jìn)的調(diào)試手段便應(yīng)運(yùn)而生。JTAG 仿真調(diào)試手段作為其中的一種，是由ARM 公司提出的。本設(shè)計(jì)采用占用IO口資源少的SWD調(diào)試，只需JTAG 仿真器上的4根線就能完成，如下圖所示：圖3.5 SWD調(diào)試電路圖通過SWD接口，我們可以燒錄和調(diào)試程序，開發(fā)板的JTAG接口的硬件連接如上圖所示，可以與目前主流的JLINK V8仿真器配合使用。3.4驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 通常對機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有：（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量不應(yīng)太重，效率也應(yīng)較高；（2）響應(yīng)速度快；（3）動(dòng)作靈活，位移偏差以及速度偏差均較??；（4）安全可靠；（5）操作和維護(hù)方便；（6）經(jīng)濟(jì)合理，占地面積要盡可能的小。基于上述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和該機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該設(shè)計(jì)選用直流伺服電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)選用的舵機(jī)型號為分別MG995，如圖3.2、3.3，其參數(shù)如下：MG995：（1）尺寸：40mm20mm36.5mm （2）重量：62g（3）技術(shù)參數(shù)：無負(fù)載速度0.17秒/60度(4.8V) 、0.13秒/60度(6.0V) （4）扭矩：13KG （5）使用溫度：-30+60攝氏度 （6）死區(qū)設(shè)定：4微秒 （7）工作電壓：3.0V-7.2V圖3.6 MG995舵機(jī)一般來說，舵機(jī)是由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等幾個(gè)重要部分組成的。信號線把來自于微控制器的控制信號傳輸?shù)蕉鏅C(jī)的控制電路板，控制電路板根據(jù)相應(yīng)的控制信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)帶動(dòng)齒輪組隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)減速后傳動(dòng)到輸出舵盤。由于舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是連接在一起的，所以在舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)根據(jù)當(dāng)前位置將一個(gè)電壓信號反饋到控制電路板，然后控制電路板根據(jù)電位計(jì)反饋回來的數(shù)據(jù)決定電機(jī)后續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而使舵機(jī)運(yùn)動(dòng)到指定的位置后停止運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對位置的精確控制。3.5電源模塊設(shè)計(jì)機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用雙電源供電模式，STM32單片機(jī)經(jīng)過AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片供電，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用7.2V可充電電池經(jīng)LM2596 DC-DC 可調(diào)降壓模塊實(shí)現(xiàn)供電。AMS1117是正向低壓降的穩(wěn)壓器，在1A電流下產(chǎn)生1.2V的壓降。它的內(nèi)部所集成有過熱保護(hù)和限流電路，因此是電池供電和便攜式計(jì)算機(jī)的最佳選擇。由AMS1117-3.3V芯片構(gòu)成的3.3V穩(wěn)壓電路如圖3.8所示。圖3.8 3.3V穩(wěn)壓電路LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，可以輸出最高達(dá)3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)也有良好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性?？烧{(diào)型的LM2596甚至可以輸出低于37V的各種電壓。LM2596的特性如下：輸出電壓可調(diào)，可調(diào)范圍為1.2V37V，誤差范圍4%；輸出特性有良好的線性，并且負(fù)載可以調(diào)節(jié)；驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，輸出電流可高達(dá)3A，輸入電壓可高達(dá)40V；采用150kHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器；功耗小、效率高，具有過熱保護(hù)和限流保護(hù)功能等。常用于高效率降壓調(diào)節(jié)器，單片開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，正、負(fù)電壓轉(zhuǎn)換器等。由LM2596構(gòu)成的5V穩(wěn)壓電路如圖3.9所示。圖3.9 5V穩(wěn)壓電路第4章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1初始化模塊設(shè)計(jì)初始化模塊主要負(fù)責(zé)完成如下工作：系統(tǒng)時(shí)鐘控制寄存器 RCC 的配置， SysTick 定時(shí)器，TIM 定時(shí)器，通用輸入輸出接口 GPIO ，嵌套向量中斷控制器 NVIC， PWM 波輸出，超聲波傳感器模塊的初始化。采用庫函數(shù)進(jìn)行編程。4.1.1系統(tǒng)時(shí)鐘控制STM32 CPU 的時(shí)鐘源可以來自內(nèi)部高速振蕩器（HSI）、外部高速振蕩器（HSE）或者內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）。鎖相環(huán)需要以 HSI 或 HSE 作為時(shí)鐘來源，兩者的差別在于內(nèi)部高速震蕩器 HSI 不能產(chǎn)生穩(wěn)定的8MHz的時(shí)鐘頻率。為了獲得最大的工作頻率，都會通過鎖相環(huán)配置出最大的72MHz頻率，供給Cortex-M3內(nèi)核使用。流程圖如下：開始復(fù)位系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置開啟外部振蕩器HSE是否成功起振并穩(wěn)定？YN選擇AHB，APB1，APB2頻率使能鎖相環(huán)PLL等待PLL輸出穩(wěn)定，成為時(shí)鐘源結(jié)束圖4.2 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化流程圖4.1.2 SysTick定時(shí)器SysTick ，即系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘，它作為ARM Cortex-M3內(nèi)核的一個(gè)內(nèi)設(shè)，和STM32微控制器之間并沒有必然的聯(lián)系。SysTick的存在既能夠提供必要的系統(tǒng)節(jié)拍，為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度提供一個(gè)有節(jié)奏的“心跳”，進(jìn)而提高可靠性，又方便了程序在不同器件間的移植。系統(tǒng)初始化時(shí)，RCC通過AHB時(shí)鐘(HCLK)8分頻后作為Cortex系統(tǒng)定時(shí)器(SysTick)的外部時(shí)鐘。通過對SysTick控制與狀態(tài)寄存器的設(shè)置，可選擇上述時(shí)鐘或Cortex(HCLK)時(shí)鐘作為SysTick時(shí)鐘。系統(tǒng)嘀嗒校準(zhǔn)值固定為9000，當(dāng)系統(tǒng)嘀嗒時(shí)鐘設(shè)定為9MHz(HCLK/8的最大值)，產(chǎn)生1ms時(shí)間基準(zhǔn)。本部分的程序流程圖如下：開始設(shè)置Systick重裝載時(shí)間失能Systick定時(shí)器設(shè)定中斷函數(shù)，獲取節(jié)拍使能Systick定時(shí)器結(jié)束圖4.3 SysTick定時(shí)器初始化流程圖4.1.3 TIM定時(shí)器STM32微控制器具備高級定時(shí)器TIM1和TIM8 2個(gè)，通用定時(shí)器TIM2、TIM3、TIM4和TIM5 4個(gè)以及基本定時(shí)器TIM6和TIM7 2個(gè)，再加上 RTC 和 Systick 定時(shí)器，總數(shù)量達(dá)到了10個(gè)?；径〞r(shí)器可以為用戶提供準(zhǔn)確的時(shí)間參考；通用定時(shí)器不僅具備時(shí)間參考功能，還具有輸入捕捉、輸出比較、單脈沖輸出、 PWM 輸出功能和正交編碼器的特點(diǎn)；高級定時(shí)器更是加入了可以產(chǎn)生帶死區(qū)控制的互補(bǔ) PWM 信號、緊急制動(dòng)、定時(shí)器同步等高級特征，并最多可以輸出6路 PWM 信號，可謂是意法半導(dǎo)體賦予STM32的王牌。本設(shè)計(jì)采用TIM2、TIM3的 PWM 輸出功能和TIM4的計(jì)數(shù)功能。本部分的程序流程圖如下：開始配置PWM輸出引腳設(shè)置定時(shí)器TIM2各輸出通道占空比設(shè)置定時(shí)器TIM3輸出通道1占空比延時(shí)1000ms，等待手臂初始化完成設(shè)置定時(shí)器TIM4計(jì)數(shù)模式結(jié)束圖4.4 TIM定時(shí)器初始化流程圖4.1.4通用輸入輸出接口GPIOGPIO 可以說是STM32最常用的外設(shè)。STM32F103ZET6提供多達(dá)112個(gè)雙向 GPIO ，分別分布在 AG 這7個(gè)端口中。每個(gè)端口又包括16個(gè) GPIO ，都可承受5V的壓降。GPIO 可通過配置寄存器工作在如下8種模式：浮空輸入、帶上拉電阻的輸入、帶下拉電阻的輸入、模擬輸入；開漏輸出、推挽輸出、復(fù)用推挽輸出、復(fù)用開漏輸出。該設(shè)計(jì)中將PA0、PA1、PA2、PA3、PA6作為 PWM 波的輸出口；PA4、PA5作為 LED 顯示接口；PA7、PA8作為超聲波傳感器信號的接收發(fā)送接口；PB6、PB7分別作為串口的發(fā)送接收接口（人機(jī)交互）。4.1.5超聲波傳感器模塊首先，STM32的PA7端口接超聲波傳感器的 TRIG 口，觸發(fā)測距信號，發(fā)出10us的高電平信號；然后，超聲波發(fā)射器自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，接收器檢測返回信號；然后，PA8端口接的 ECHO 發(fā)給STM32 微控制器一個(gè)高電平，用TIM4來測量高電平的持續(xù)時(shí)間。本部分的程序流程圖如下：開始配置超聲波模塊引腳配置并使能TIM4觸發(fā)超聲波模塊發(fā)射方波，TIM4開始計(jì)數(shù)觸發(fā)超聲波模塊收到反射波，TIM4停止計(jì)數(shù)結(jié)束圖4.5 超聲波模塊初始化流程圖總結(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)是當(dāng)今社會的一項(xiàng)非常重要的研究課題，盡管其發(fā)展已經(jīng)有了一段很長的歷史，但是其發(fā)展并不完全成熟。無論是學(xué)術(shù)界、工業(yè)還是在教育教學(xué)方面都一直在進(jìn)行著這方面的研究，距離成熟階段還要有一段時(shí)間。本設(shè)計(jì)是基于STM32四自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以四自由度機(jī)械臂為控制對象，以意法半導(dǎo)體公司的STM32系列芯片STM32F103ZET6為主控芯片，人機(jī)交互的串口顯示進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件的設(shè)計(jì)和研究，并在此基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的控制理論，以正確的控制方法為指導(dǎo)，進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，硬件的設(shè)計(jì)是本論文研究的重點(diǎn)，芯片的選型是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的保證，并且輔以可靠性分析為指導(dǎo)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。通過編寫控制程序，使主控制器輸出 PWM 波實(shí)現(xiàn)對各個(gè)關(guān)節(jié)位置的控制。參考文獻(xiàn)1 任美玲.機(jī)械臂的研究與進(jìn)展J.出國與就業(yè),2012，(2) 84-85.2 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