小型六自由度的工業(yè)機械手的控制設(shè)計

1、小型六自由度的工業(yè)機械手的控制設(shè)計1、系統(tǒng)設(shè)計目的及意義工業(yè)機器人，又稱機械臂，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中正發(fā)揮著越來越重要的作用，它被廣泛應(yīng)用到流水生產(chǎn)線上，代替人類從事焊接、噴涂、搬運等許多較繁重的勞動，這不僅大大提高了生產(chǎn)效率，同時也極大地提高了產(chǎn)品的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著時代的進步，機器臂技術(shù)的應(yīng)用越來越普及，已逐漸滲透到軍事、航天、醫(yī)療、日常生活及教育娛樂等各個領(lǐng)域，可以說工業(yè)機器人的應(yīng)用對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。論文圍繞哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新實驗室購買的教學(xué)用小型六自由度機械臂，完成對其關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，開發(fā)內(nèi)容包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。從而使其能夠達到一定的控

2、制精度，為后續(xù)的控制算法的研究提供一個完整的平臺。2、主要研究內(nèi)容論文的主要內(nèi)容包括：對機械臂結(jié)構(gòu)的改進、安裝合適的控制系統(tǒng)、數(shù)學(xué)建模、運動學(xué)分析，軌跡規(guī)劃研究、控制算法研究和三維仿真研究等部分。圖2.1 機械臂系統(tǒng)研究內(nèi)容圖2.1、機械臂結(jié)構(gòu)改造創(chuàng)新實驗室購買的教學(xué)用六自由度機械臂存在以下兩個明顯不足，需要對其進行較大的改動：（1）原機械臂包括爪子在內(nèi)共六個自由度，實際上爪子是機械臂的末端執(zhí)行器，它不影響位置和姿態(tài)，不能作為一個獨立自由度；（2）原機械臂的關(guān)節(jié)執(zhí)行器使用的是6個舵機，各關(guān)節(jié)處沒有任何反饋裝置，只能做簡單開環(huán)控制，生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員證實了這一點。為了完成本次論文的立題要求，需要

3、至少在一個關(guān)節(jié)上做成閉環(huán)控制。針對以上兩點不足，在不破壞機械臂的前提下，作者對機械臂的結(jié)構(gòu)和控制部分做了以下相應(yīng)改動：（1）去掉爪部關(guān)節(jié)，另外增加兩個關(guān)節(jié)，使機械臂達到六個自由度，同時利于建立其數(shù)學(xué)模型；（2）將底座舵機換成直流減速電機，增加一定的機械結(jié)構(gòu)來安裝角度反饋裝置，從而使機械臂能夠完成一定的閉環(huán)控制，滿足論文的立題要求。圖2.2 改裝后的六自由度機械臂實物圖2.2、數(shù)學(xué)建模六自由度鏈?zhǔn)?6R)機器臂是具有六個關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，為描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，可以在每個關(guān)節(jié)上建立一個坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來描述末端執(zhí)行器的位置。一般采用Denavit-HartenBerg法(D

4、-H法)建立坐標(biāo)系并推導(dǎo)機械臂的運動方程。D-H法是1995年由Denavit和HartenBerg提出的一種建立相對位姿的矩陣方法。利用齊次變換描述各個連桿相對于固定參考坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，用一個4×4的齊次變換矩陣描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出末端執(zhí)行器坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的等價齊次坐標(biāo)變換矩陣，建立機械臂的運動方程。依據(jù)D-H法，相鄰兩坐標(biāo)系之間的關(guān)系表示為： 參數(shù)定義如下（參考圖3坐標(biāo)系）：表示沿軸方向軸與軸之間的距離；表示繞軸線由軸到軸所旋轉(zhuǎn)的角度；表示沿軸方向軸到軸的距離；表示繞軸由軸到軸所旋轉(zhuǎn)的角度。圖2.3 六自由度機械臂坐標(biāo)系圖2.3、運動分析2.3.1正運

5、動學(xué)分析正運動學(xué)的求解過程是根據(jù)已知關(guān)節(jié)變量，求末端抓持器相對于參考坐標(biāo)系的位姿的過程。要對機械臂進行分析，首先要對機械臂建立坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系如圖3所示，各個關(guān)節(jié)變量分別是：=0，=0，=0，=0，=90，=0。將參考坐標(biāo)系設(shè)在6R機械臂的基座上，于是可以從基座開始變換到第一關(guān)節(jié)，然后到第二關(guān)節(jié),最后到末端抓持器。若把每個變換定義為，那么6R機械臂的基座和手之間的總變換為：A0為基座坐標(biāo)系到坐標(biāo)系0（關(guān)節(jié)一）之間的變換矩陣；A1為坐標(biāo)系0到坐標(biāo)系1之間的變換矩陣；A2為坐標(biāo)系1到坐標(biāo)系2之間的變換矩陣；A3為坐標(biāo)系2到坐標(biāo)系3之間的變換矩陣；A4為坐標(biāo)系3到坐標(biāo)系4之間的變換矩陣；A5為坐標(biāo)系

6、4到坐標(biāo)系5之間的變換矩陣；AH為坐標(biāo)系5到坐標(biāo)系H之間的變換矩陣。 根據(jù)六個關(guān)節(jié)角度以及機械臂的參數(shù)，通過以上7個矩陣相乘即可得出期望矩陣： 列向量，表示姿態(tài)，表示空間位置。2.3.2正運動學(xué)仿真MATLAB在7.1版本中增加了Robotics Toolbox工具箱，利用該工具箱可以對鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的機械臂進行運動學(xué)仿真。正運動學(xué)仿真過程如下：l1=link(pi/2 0 0 L1,'standard');l2=link(0 L2 0 0,'standard');l3=link(0 L3 0 0,'standard');l4=link(-pi/2 L

7、4 0 0,'standard');l5=link(pi/2 0 0 0,'standard');l6=link(0 0 0 L5,'standard');r=robot(l1 l2 l3 l4 l5 l6);='6R_Rrobotarm'q=0.430437 0.102693 -1.28542 1.7628 1.33703 -1.24998;drivebot(r,q);l1,l2,l3,l4,l5,l6表示各連桿，L1，L2，L3，L4，L5表示連桿長度，具體值由實際機械臂參數(shù)決定，standard表示采用標(biāo)準(zhǔn)的D-

8、H建模方法，robot函數(shù)將各連桿連接起來，q向量表示各關(guān)節(jié)的初始角度，均為弧度值，drivebot是繪制機械臂函數(shù)?，F(xiàn)設(shè)定：L1=2,L2=4,L3=4,L4=2,L5=2;=2.5632，=1.2145，=1.0256，=1.2105，=1.5809，=1.1078。仿真結(jié)果如圖：圖2.4 基于MATLAB Robot Toolbox工具箱的機械臂正運動學(xué)仿真正運動學(xué)的仿真數(shù)據(jù)在實際機械臂上運行結(jié)果如下：圖2.5 機械臂正運動學(xué)實物圖2.3.3逆運動學(xué)分析逆運動學(xué)的求解過程是根據(jù)已知的末端抓持器相對于參考坐標(biāo)系的位姿，求關(guān)節(jié)變量，的過程，它是機器人運動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)，也是運動學(xué)最重要

9、的部分。然而運動學(xué)逆解的求解要比正解求解復(fù)雜得多，要建立通用算法是相當(dāng)困難的，許多人為此付出巨大的努力，做了大量的工作。有關(guān)機器人運動學(xué)逆解的求解方法很多，其中主要有解析法、幾何法、符號及數(shù)值方法、幾何解析法。由于逆運動學(xué)求解非常復(fù)雜，這里不再給出，只是引用已有結(jié)論，在后面的三維仿真和運動規(guī)劃時使用。給出機械臂期望位姿為： 可以計算出各關(guān)節(jié)角的解析式為： 或 或 六自由度機械臂在相同的位姿下可能有8組解，根據(jù)實際情況選擇其中最合適的一組解即可。2.3.4逆運動學(xué)仿真同樣利用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱，先建立六自由度機械臂模型，再使用逆解函數(shù)ikine求出期望位姿下的

10、6個關(guān)節(jié)角度值。具體過程如下：L1=link(pi/2 0 0 2,'standard');L2=link(0 4 0 0,'standard');L3=link(0 4 0 0,'standard');L4=link(-pi/2 2 0 0,'standard');L5=link(pi/2 0 0 0,'standard');L6=link(0 0 0 2,'standard');r=robot(L1 L2 L3 L4 L5 L6);='6R_Robotarm'q=-1

11、.3402 1.0145 0.8256 1.0986 1.5809 2.1078;drivebot(r,q);T=fkine(r,q);q1=ikine(r,T);fkine是求機械臂的正解函數(shù)，q向量為機械臂的六個關(guān)節(jié)角變量，ikine是求逆解函數(shù)，T為正運動學(xué)算出來的位姿，如果仿真結(jié)果正確，計算的q1應(yīng)該與q相同。程序運行后：q1 =4.9430 -4.4431 18.0240 1.9242 -10.9855 8.3910將q1轉(zhuǎn)換到-pi，pi可以發(fā)現(xiàn)q與q1完全相同。圖2.6 基于MATLAB Robot Toolbox工具箱的機械臂逆運動學(xué)仿真逆運動學(xué)仿真數(shù)據(jù)在實際機械臂上的運行結(jié)果

12、如下：圖2.7 機械臂逆運動學(xué)實物圖2.4、軌跡規(guī)劃研究軌跡是機械臂位姿關(guān)于時間的函數(shù)，軌跡規(guī)劃是給出一條無沖突路徑，求出沿這條路徑機械臂的位置和姿勢的時間經(jīng)歷。軌跡規(guī)劃既可以在關(guān)節(jié)空間也可以在笛卡兒空間中進行。在關(guān)節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃優(yōu)點是直接用運動時的受控關(guān)節(jié)變量來規(guī)劃軌跡，這樣容易做到實時控制，缺點是難以確定各桿和末端抓持器的位置。而這正是面向笛卡兒坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的優(yōu)點，但是現(xiàn)在還沒有可用于笛卡兒坐標(biāo)測量末端抓持器位置的傳感器，所以算法都是建立在關(guān)節(jié)坐標(biāo)基礎(chǔ)上的。論文將分別討論關(guān)節(jié)空間中的三次多項式插值算法和笛卡爾空間中的空間直線插補算法。2.4.1關(guān)節(jié)空間三次多項式插值軌跡規(guī)劃三次多

13、項式共有四個待定系數(shù)，需要四個約束條件來唯一確定。如果把三次多項式看做關(guān)節(jié)角度的時間函數(shù)，那么三次多項式的一階倒數(shù)可以看作關(guān)節(jié)角速度的時間函數(shù)。為求出，四個系數(shù)，同時對起始點和目標(biāo)點的角度和角速度給出約束條件，列出四個方程式：將起始時間設(shè)為0，即=0，解得系數(shù)為： 對于起始點和目標(biāo)點來說，它們的速度為零，即=0，=0,帶入解得：將以上四個系數(shù)帶回原三次多項式即可求出關(guān)節(jié)角的時間函數(shù)。但是，三次多項式的約束條件只考慮了角度和角速度，沒有考慮角加速度，因此三次插補算法不能保證角加速度的連續(xù)性和平滑性。為了獲得更好的控制特性，需要保證角加速度的平滑性，因此可以采用五次多項式插值算法。2.4.2笛卡爾

14、空間直線插補軌跡規(guī)劃空間直線插補是給定直線始末兩點的位姿，求軌跡中間點(插補點)的位姿。直線插補時，機械臂的姿態(tài)變化按照給定的步長從初始姿態(tài)均勻向末端點姿態(tài)變化。己知直線始末兩點的坐標(biāo)值為， 可以通過以下步驟進行直線軌跡的定步長插補:（1）首先給定插補周期；（2）求兩點空間之間的距離L:（3）求出插補總時間；（4）計算插補次數(shù)N： 或 （5）計算插補增量：（6）計算第i個插補點的坐標(biāo)值：（7）求出齊次變換矩陣，用齊次變換矩陣乘已新坐標(biāo)下的點坐標(biāo)，就可以得到空間點相對于基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。再經(jīng)過運動學(xué)反解，就可以得到各個點的關(guān)節(jié)角。2.5、軌跡規(guī)劃三維仿真為了驗證以上規(guī)劃算法的正確性，利用基于V

15、c+MFC和OpenGL的三維仿真工具，對三次插補算法和空間直線插補算法進行了三維仿真，仿真過程如下： void display() / 建立機械臂三維模型 glClear (GL_COLOR_BUFFER_BIT); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glPushMatrix(); /保存原點坐標(biāo) base();arm_1();arm_2();arm_3(); arm_4();arm_5(); zhua(); glPopMatrix(); / 還原原點坐標(biāo) glutSwapBuffers();圖2.8 六自由度機械臂三維仿真圖圖2.9 三維仿真控制界面軌跡規(guī)劃代碼太多，

16、這里不再給出，可以參見附件，里面有詳細的代碼。仿真結(jié)果表明，關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃只能使機械臂末端執(zhí)行器在兩點間平滑過渡但不能保證運行路線，而直線插補可以使機械臂末端執(zhí)行器按照直線路徑在兩點間過渡。2.6、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收上位機根據(jù)機械臂期望的終端位置坐標(biāo)，通過軌跡規(guī)劃和運動學(xué)逆解得出的各關(guān)節(jié)角度，以接收的角度作為期望角度，通過系統(tǒng)控制器的控制，使各關(guān)節(jié)達到預(yù)期的位置，從而完成機械臂終端位置的改變。硬件系統(tǒng)主要包括STC89C52RC主控電路、電機驅(qū)動電路、角度檢測電路、通信電路等四部。圖2.10 機械臂控制系統(tǒng)硬件原理框圖2.6.1主控制器電路單片機是數(shù)字集成器件，正常工作

17、時離不開時鐘，因此外圍電路必須提供適當(dāng)?shù)臅r鐘電路；另外還要有復(fù)位電路，以便單片機工作中可以正常復(fù)位。這些就構(gòu)成了單片機正常工作的最基本條件單片機最小系統(tǒng)。為了通信方便，該最小系統(tǒng)采用11.0592MHz的時鐘晶振，時鐘電路電容33pf；復(fù)位電路電解電容10uf，電阻值1k。原理圖如下：圖2.11 控制器最小系統(tǒng)原理圖2.6.2電機驅(qū)動電路機械臂底座關(guān)節(jié)使用的是直流減速電機，要想對直流電機進行控制，需要有專門的直流電機驅(qū)動器，以實現(xiàn)PWM控制。STC89C52RC單片機自身沒有集成的PWM模塊，因此需要外接電機驅(qū)動芯片。綜合分析市場上常用的直流電機驅(qū)動芯片的性能和價格后，選擇L298n作為機械臂

18、底座電機的驅(qū)動器。L298n管腳圖如圖2.12，功能表見表2.1。圖2.12 L298n 管腳圖 表2.1 L298n功能表En In1 In2 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 停止 1 1 0 正傳1 0 1 反轉(zhuǎn)1 1 1 剎停1 0 0 停止電機的控制信號由單片機產(chǎn)生，而電機的驅(qū)動電路直接引入16v的電壓，如果電路出現(xiàn)問題，電流會直接進入單片機，對單片機和其他外圍控制電路造成損害，所以所有的控制信號以及反饋信號必須由光電隔離器件進行隔離，使控制電路和驅(qū)動電路隔離開來，從而形成對控制電路的保護。單片機光耦 VCC VSSPWM GNDEN OUT1 OUT2電源電機 圖2.13 驅(qū)動電路與單片機的接口框圖實

19、際接口電路中可能存在外部干擾，可行的解決辦法是增加濾波電路，即在PWM信號端增加對地濾波電容，電容大小視具體情況而定。如果干擾很小則可略掉濾波電路。下圖為接口電路的原理圖，PWM信號可由5腳7腳產(chǎn)生，也可由使能端6腳產(chǎn)生，具體由軟件程序決定。圖2.14 驅(qū)動模塊與單片機的接口電路原理圖2.6.3角度檢測電路位置檢測元件是控制系統(tǒng)的一個重要組件，由控制理論知，系統(tǒng)反饋通道的誤差將直接影響系統(tǒng)控制精度?？紤]到機械臂系統(tǒng)的實際情況，決定采用高精度旋轉(zhuǎn)電位計作為角度傳感器，電位計測量電機轉(zhuǎn)角，輸出05v的模擬電壓，而單片機處理的是數(shù)字信號，因此需增加A/D轉(zhuǎn)換模塊，將采樣模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可以處理的

20、數(shù)字信號。旋轉(zhuǎn)電位計采用WDD35D-4，AD采樣模塊采用ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。圖2.15 電位計原理圖圖2.16 ADC0809管腳圖ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，其逐次比較使用的時鐘須由外部電路經(jīng)CLK管腳提供，時鐘頻率400kHz640kHz之間，典型值為500kHz。單片機使用的晶振為11.0592MHZ，單片機內(nèi)部將該頻率六分頻后由ALE腳輸出，大小為1.8432MHZ。該頻率可作為源時鐘頻率，經(jīng)三次分頻電路分頻后即可得到合適的時鐘頻率。74LS161十六進制計數(shù)器和74LS00與非門電路組合成三進制計數(shù)器可作為三次分頻電路使用，電路原理圖如圖：圖2.17 ADC809時鐘電

21、路原理圖單片機P2.7腳接ADC0809的ST腳，用于啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換；P2.6腳接ADC0809的EOC腳，用于查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；P2.5腳接ADC0809的OE腳，用于控制是否允許數(shù)據(jù)輸；P3.5，P3.6，P3.7腳選擇模擬通道（程序中選擇的是0通道），轉(zhuǎn)換結(jié)束后數(shù)據(jù)送到單片機P0口。接口電路原理圖如圖2.18圖2.18 ADC0809與單片機接口圖2.6.4通信電路通信電路的主要任務(wù)是接收上位機（PC）的控制信號并將采集到的角度信號送到上位機處理。單片機和PC機之間的通信常采用串行異步通信，采用這種通信方式的主要優(yōu)點是設(shè)備簡單，控制容易；缺點是傳輸速率較慢，但是對于一般的傳輸速度（例如96

22、00bit/s）這種通信方式完全可以滿足。異步工作模式USART是進行產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計中最常用的模式，這種模式就是常說的RS232C。RS232C電平是負(fù)邏輯電平（邏輯0：5V15V，邏輯1：15V5V），PC的串口就是RS232C電平的。而單片機的串口是TTL電平的，TTL為正邏輯電平（帶負(fù)載時，邏輯1：+5V+12V，邏輯0：-5V-12V。不帶負(fù)載時，邏輯1：2.4V，邏輯0：0.4V），所以單片機和PC機進行通信時，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路。常用的RS232C電平和TTL電平轉(zhuǎn)換芯片是MAX232，封裝結(jié)構(gòu)如圖2.19：圖2.19 MAX232封裝圖我們在這里采用了三線制連接串

23、口：PC機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。連接方法：MAX232的第10腳和單片機的P3.1連接，第9腳和單片機的P3.0連接，第15腳和單片機的GND連接。如圖：圖2.20 MAX232接線圖2.7、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計2.7.1電機驅(qū)動程序電機驅(qū)動程序是指PWM信號的生成和調(diào)制程序。驅(qū)動器L298n需要三個輸入，即正反轉(zhuǎn)控制和使能端控制，分別接單片機的P2.0、P2.3、P2.2管腳。PWM信號由使能端P2.2腳通過延時產(chǎn)生，改變使能端高低電平的延時時間即可對PWM信號進行調(diào)制。主要代碼如下：sbit PWM=P22; / PWM輸出腳sbit P

24、2_0=P20; / M1sbit P2_3=P23; / M1while(!k) PWM=1; delay_nus (speed+1000); PWM=0; delay_nus(9500-speed); 2.7.2角度檢測程序角度檢測程序主要指ADC0809的驅(qū)動程序，ADC0809的ST管腳接收到控制脈沖的上升沿時清空內(nèi)部寄存器，并在脈沖下降沿啟動AD轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換結(jié)束后，ADC0809在EOC輸出高電平表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；單片機可以通過外部中斷或查詢方式訪問EOC腳，獲得轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后給ADC0809的OE腳一個高電平即可輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。主要代碼如下：OE=0;ST=0; /啟動AD轉(zhuǎn)換 ST=1;

25、 ST=0;delay_nus(60);while(!EOC); /等待轉(zhuǎn)換結(jié)束OE=1; /輸出使能P1=P0; /數(shù)據(jù)輸出2.7.3串口通信程序單片機串口通信程序使用定時器中斷實現(xiàn)，該通信程序采用9600bit/s波特率，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，沒有校驗位。主要代碼如下：void com_initialize(void) /初始化串行口和UART波特率 TMOD |=0x20; /定時器工作在方式2 TH1=0xfd; TR1=1; SCON=0xd8; ES=1; static void com_isr(void) interrupt 4 using 1 /串口中斷 char c; if

26、(RI) /接收數(shù)據(jù)中斷 if(TI) /發(fā)送數(shù)據(jù)中斷 2.7.4上位機控制界面程序上位機控制界面的主要功能是：發(fā)送控制方式和期望角度給下位機，同時實時接收下位機采樣得到的角度值，并在“繪制實時曲線區(qū)域”繪制實際曲線，用以觀察控制效果和對比控制算法。由于代碼太多，這里不再給出。下面只給出編制完成后的控制界面：圖2.21 上位機控制界面2.7.5 系統(tǒng)軟件流程圖圖2.22 系統(tǒng)流程圖3、系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析3.1 硬件調(diào)試3.1.1 驅(qū)動模塊調(diào)試編寫一個簡單的驅(qū)動程序，通過單片機的P2.0腳和P2.3腳的高低電平控制電機正反轉(zhuǎn)，在P2.2腳利用延時函數(shù)產(chǎn)生PWM波，PWM占空比通過外部按鍵可調(diào)。用

27、示波器觀察L298n的OUT1和OUT2之間是否產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形，如果波形的占空比與預(yù)期一致且可調(diào)，說明驅(qū)動模塊正確。下面是示波器觀察到的波形： 圖3.1 占空比50% 圖3.2 占空比80% 首先，外部直流電源調(diào)節(jié)為16v，通過按鍵設(shè)置PWM占空比為50%。用示波器觀察L298n的OUT1和OUT2腳，其波形輸出如圖5.1所示，占空比與設(shè)定值一致，同時用萬用表電壓檔測量OUT1和OUT2腳間的電壓，輸出值為7.8v，與理論輸出基本一致。然后，通過外部按鍵改變占空比為80%，用示波器觀察上述管腳，波形如圖5.2所示，用萬用表測量兩腳間電壓為12.8v，與理論輸出一致。測量結(jié)果表明，驅(qū)動電路

28、設(shè)計良好，工作正常。3.1.2 角度檢測模塊調(diào)試編寫ADC0809的驅(qū)動程序，令A(yù)DC0809每20ms對0通道進行一次采樣，用示波器觀察ADC0809的ST腳，EOC腳及OE腳，看是否有信號脈沖產(chǎn)生， 同時觀察脈沖時序是否正確。下面是示波器觀察到的波形： 圖3.3 ST腳 圖3.4 EOC腳 圖3.5 OE腳單片機通過P2.7腳向ADC0809的ST腳發(fā)送一個脈沖，在脈沖的上升沿ADC0809清空寄存器，在脈沖的下降沿啟動AD采樣。大約100us后采樣結(jié)束，ADC0809的EOC腳發(fā)出一個高電平信號，通知單片機采樣結(jié)束。接到采樣結(jié)束信號后，單片機向ADC0809的OE腳發(fā)送高電平信號，表示允

29、許采樣輸出，采樣數(shù)據(jù)送到P0口。示波器顯示波形與整個采樣過程的時序相同，證明采樣模塊設(shè)計正確。為了檢測采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別測量ADC0809各數(shù)據(jù)輸出管腳的高低電平，并將電平值轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)據(jù)。同時用萬用表測量電位計輸出的模擬電壓值，將該值轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)進行對比。測試時，電位計模擬電壓輸出為2.7v，對應(yīng)十六進制的89H，ADC0809的管腳輸出電平同樣為89H。實驗結(jié)果表明，該采樣模塊設(shè)計合理，工作正常，采樣數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。3.1.3 通信模塊調(diào)試RS232串口通信的調(diào)試可以通過串口調(diào)試助手完成，為了同時檢驗接收與發(fā)送功能都正確，編寫單片機程序，令單片機接收到上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)后，

30、將該數(shù)據(jù)原樣發(fā)回上位機，通過串口調(diào)試助手觀察數(shù)據(jù)知否正確。圖3.6 串口助手顯示結(jié)果實驗時，下位機采用的是11.0592MHZ的時鐘晶振，通信波特率設(shè)置為9600bit/s，數(shù)據(jù)幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1未停止位，沒有校驗位。串口助手的通信波特率和幀格式與單片機相同。令串口調(diào)試助手以十六進制的形式向下位機發(fā)送“12 34 56 78”，單片機接到數(shù)據(jù)后立即將數(shù)據(jù)原樣發(fā)回上位機，串口助手接收數(shù)據(jù)并顯示，顯示結(jié)果為“12 34 56 78”。實驗結(jié)果表明通信模塊設(shè)計合理，能夠在設(shè)定的波特率和幀格式下正常收發(fā)數(shù)據(jù)。3.2 軟件調(diào)試3.2.1 下位機軟件調(diào)試將下位機程序下載到單片機中，驅(qū)動一個

31、空載（未安裝在機械臂上）的直流減速電機，這樣做是為了設(shè)備安全考慮。在試驗?zāi)：刂扑惴ê湍：齈ID控制算法的程序時，發(fā)現(xiàn)電機出現(xiàn)嚴(yán)重抖動，只能“爬行”旋轉(zhuǎn)。仔細對比分析后發(fā)現(xiàn)，基于誤差E和誤差變化率EC的雙輸入模糊控制器對位置閉環(huán)控制不是很合適，特別是位置誤差很大的情況。這主要基于以下原因：雙輸入模糊控制器可以等效為PD控制，在位置閉環(huán)控制時，起始位置誤差E很大（本系統(tǒng)為-255 +255），位置誤差變化率很?。ū鞠到y(tǒng)為-5 +5），這樣E和EC由基本論域轉(zhuǎn)換到模糊論域的過程中無疑放大了EC的作用，即微分作用被加強。我們已經(jīng)知道，微分的作用主要是加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但是微分作用過強會使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩。特別是在控制的起始階段，很容易發(fā)生因為微分作用過強而出現(xiàn)微分飽和的現(xiàn)象。針對這種情況，可以采取以下措施：1、采用雙模模糊控制器，即制作兩個模糊查詢表。粗調(diào)控制查詢表對E的加權(quán)值大，EC的加權(quán)值??；細調(diào)模糊控制表對EC的加權(quán)值大，對E的加權(quán)值小。在大誤差時查詢粗調(diào)控制查詢表，防止微分飽和；在小誤差時查詢細調(diào)控制查詢表，增加系統(tǒng)的動態(tài)性能。2、采用一維模糊控制器，即模糊控制器的輸入只有誤差