基于16/32位DSP机器人控制系统设计与实现PDF电子书下载

第0章　机器人学的发展和相关机器人系统介绍 1

0.1　机器人学的发展概述 1

0.2　机器人研究的热点和内容 2

0.2.1　机械结构设计 2

0.2.2　体系结构设计 2

0.2.3　多机器人系统的研究 3

0.2.4　机器人的传感器和传感器信息融合 4

0.2.5　机器人的电路系统设计 5

0.3　足球机器人简介 6

0.3.1　足球机器人主要组成部分 6

0.3.2　研究足球机器人的意义 8

0.4 自平衡两轮电动车简介 9

0.5　倒立摆机器人系统概述 10

1.1　DSP的特点 12

第1章　DSP概述 12

第1部分　基础理论 12

1.2　TI公司的DSP产品 14

第2章 TMS320LF240x概述 17

2.1　TMS320C2000系列DSP概况 17

2.2　TMS320LF240x芯片特点 17

2.3　TMS320LF240x DSP的PGE封装图和CPU控制器功能结构图 18

2.4　TMS320LF240x DSP引脚功能 21

2.5　TMS320LF240x DSP存储器映射图 27

2.6　TMS320LF240x DSP外设存储器映射图 30

2.7　TMS320LF240x的存储器和IO空间 31

2.7.1　程序存储器 31

2.7.2　数据存储器 32

2.7.3　I/O空间 34

第3章 TMS320LF240x DSP内部资源 35

3.1　TMS320LF240x DSP的CPU功能模块 35

3.1.1　状态寄存器ST0和ST1 38

3.1.2　输入定标移位器 40

3.1.3　乘法器 41

3.1.4　中央算术逻辑部分 42

3.1.5　辅助寄存器算术单元（ARAU） 43

3.2　系统配置和中断 45

3.2.1　系统配置寄存器 47

3.2.2　中断优先级和中断向量表 51

3.2.3　外设中断扩展控制器（PIE） 54

3.2.4 中断向量 56

3.2.5　中断响应的流程 57

3.2.6　中断响应的延时 58

3.2.7　CPU中断寄存器 58

3.2.8　外设中断寄存器 61

3.2.10　无效地址检测 67

3.2.11　外部中断控制寄存器 67

3.2.9　复位 67

3.3　程序控制 69

3.3.1　程序地址的产生 69

3.3.2　流水线操作 72

3.3.3　转移、调用和返回 73

3.3.4　条件转移、调用和返回 74

3.3.5　重复单条指令 76

第4章　TMS320C28x系列概述 77

4.1　TMS320C28x系列芯片的性能 77

4.2　TMS320F28x系列DSP的引脚及其功能 79

4.3　C28x系列DSP的内部结构 92

第5章　C28x系列DSP内部资源介绍 98

5.1　中央处理器单元CPU 98

5.1.1　CPU的逻辑图及特性 99

5.1.2　CPU的结构及其总线 100

5.1.3　CPU的寄存器 101

5.2.1　时钟信号和控制寄存器 106

5.2　时钟和系统控制 106

5.2.2　振荡器OSC和锁相环PLL时钟模块 107

5.2.3　低功耗方式模块 109

5.2.4　看门狗模块 110

5.3　CPU的中断系统和复位 110

5.3.1　CPU中断向量和优先级 112

5.3.2　CPU中断寄存器 113

5.3.3　可屏蔽中断处理的标准操作流程 113

5.3.4 不可屏蔽中断 114

5.4　片内外设的中断扩展（PIE） 115

5.4.1 向量映射 116

5.4.2　从外设到CPU的多通道中断请求流程 118

5.4.3　PIE向量表 118

5.5　32位CPU定时器0/1/2 125

5.5.1　CPU定时器的寄存器 126

6.1　TMS320C2x/C2xx/C5x C编译器概述 131

第6章　C语言程序编写和调试环境 131

6.2　TMC320C2x/C2xx/C5x C编译器环境 132

6.2.1　主要菜单及功能介绍 134

6.2.2　工作窗口区 137

6.2.3 利用TMC320C2x/C2xx/C5x C编译器开发应用程序 139

6.2.4　头文件和命令文件示例 142

第2部分　RoboCup小型组机器人 151

第7章 RoboCup简介 151

7.1　机器人足球比赛的起源和类型 151

7.2　小型组比赛 152

7.3 国内外的相关进展 153

7.3.1 国际领先队伍介绍 153

7.3.2　国内参赛队伍介绍 154

7.4　小型组比赛系统 155

7.4.1　系统组成及其相互关系 155

7.4.2　视觉子系统 155

7.4.3　决策子系统 156

7.4.4　无线通信子系统 157

7.4.5　机器人车体子系统 159

第8章　底层系统设计 160

8.1　研究的出发点和发展趋势 160

8.2　机构设计概况 161

8.3 电路系统设计概况 164

第9章　机构设计 166

9.1　机构设计流程 166

9.2　设计目标 166

9.3　运动机构的分析与设计 167

9.3.1　轮子的设计思想 167

9.3.2　轮子布局 171

9.4　球处理机构的分析与设计 176

9.4.1　带球机构 176

9.4.2　击球机构 179

9.4.3　挑球机构 181

第10章　电路系统分析与设计 185

10.1 电路系统总述 185

10.2　主控芯片的性能与工作方式 187

10.2.1　TMS320F2812 187

10.2.2　HCTL2000 188

10.3　通信系统 192

10.3.1　通信结构 193

10.3.2 nRF2401 193

10.3.3　异步串行通信芯片ST16C550 194

10.4　各执行机构的驱动与控制电路 198

10.4.1　带球机构 198

10.4.2　运动机构 199

10.4.3　击球和挑球机构 201

10.5　传感器电路设计 203

10.5.1　球检测电路 203

10.5.2　车体姿态传感器 204

10.5.3 ADXL210JE 205

10.5.4　ADXRS300 208

10.6　辅助电路 213

10.6.1 74HC595 213

10.6.2 EEPROM 217

第11章　控制系统的实现 230

11.1　控制系统简介 230

11.2　指令信息的接收与处理 230

11.3　机构控制 236

11.3.1　带球机构 236

11.3.2　击、挑球机构 237

11.4　异常预防与处理 238

11.5　软件实现 240

第12章　运动控制 242

12.1　综述 242

12.2.1　建模 243

12.2　基于动力学模型的实时次优轨迹生成算法 243

12.2.2　输入域的解耦和分离 245

12.2.3　基于bang-bang控制的轨迹生成算法 247

12.2.4　轨迹同步 249

12.2.5　结果 250

12.3　底层运动控制 253

12.3.1　基于数字PI算法的电机调速 253

12.3.2　针对扭矩控制的改进数字PI算法 255

12.3.3　基于强化学习的参数整定方法 257

第3部分 自平衡两轮电动车 260

第13章　概述 260

13.1 自平衡两轮电动车及其设计流程 260

13.1.1 自平衡两轮电动车 260

13.1.2 自平衡两轮电动车设计流程 261

14.1.2　系统模型参数 263

14.1.1　建立坐标系 263

14.1　力学分析 263

第14章　系统动力学分析 263

14.1.3　系统速度 264

14.1.4　系统动能的计算 265

14.1.5　系统运动微分方程 267

14.2　系统参数的测量 270

14.2.1　理论基础 270

14.2.2　硬件电路工作原理 271

14.2.3　参数测量 273

第15章　硬件设计 276

15.1 总体设计 276

15.2　DSP TMS320LF2407A 277

15.2.1　TMS320LF240xA概述 277

15.2.2　TMS320LF2407A 279

15.3　摆杆角度的测量 280

15.3.1　传感器简介 280

15.3.2　倾角传感器 281

15.4　摆杆角速度的测量 284

15.4.1　微型固态陀螺MEMS角速度传感器 284

15.4.2　ENC-03JA角速度传感器 286

15.5　左右轮角速度的测量 288

15.5.1　E6B编码器 288

15.5.2　码盘信号检测 290

15.6　电源和系统状态指示 291

15.6.1 电源 291

15.6.2　系统状态指示 292

15.7　功放电路 292

15.7.1　功率MOSFET简介 292

15.7.2　驱动电路 294

第16章　系统调试、仿真平台 296

16.1　TMS320LF2407A与PC机的串行通信 296

16.1.1　TMS320LF2407A的串行通信接口 296

16.1.2　电平转换电路 300

16.1.3　PC端监控软件 301

16.2　TMS320LF2407A与PC机的无线通信 303

16.2.1　nRF2401简介 304

16.2.2　nRF2401在自平衡两轮电动车调试平台中的应用 306

16.3　PC端分析、仿真软件——MATLAB 308

第17章　线性系统理论在自平衡两轮电动车中的应用 310

17.1　理论基础 310

17.2　几个重要的MATLAB函数 312

17.3 自平衡两轮电动车状态空间模型 313

17.4 自平衡两轮电动车载人时的状态反馈控制 315

17.4.1　系统状态方程、能控性 315

17.4.2　第一种情况 316

17.4.3　第二种情况 318

17.4.4　第三种情况 320

17.4.5　三种情况的分析 322

18.1　倒立摆的基本概念 324

第4部分　旋转式倒立摆 324

第18章　倒立摆系统概述 324

18.2　常见的倒立摆 325

第19章　硬件设计 328

19.1　系统总体设计方案 328

19.1.1　旋转式倒立摆总体结构 328

19.1.2　倒立摆系统工作原理 329

19.2　机械设计 330

19.3　DSP控制器 331

19.4　DSP的电源供电及时钟选择 335

19.4.1　供电方案 335

19.4.2　DSP的时钟选择 336

19.5　复位电路及MAX706 337

19.6　通信接口 339

19.7　角位移传感器 340

19.8.1　无刷直流电机的结构及原理 341

19.8　无刷直流电机及控制电路 341

19.8.2　使用dq变换求取无刷直流力矩电机系统的数学模型 343

19.8.3　无刷直流力矩电机系统的函数 344

19.8.4　无刷直流电机的力矩波动 345

19.8.5　电机驱动的设计 346

第20章　软件设计 352

20.1　DSP程序总体设计与流程图 352

20.2　DSP中断服务子程序、寄存器 353

20.2.1　初始化子程序 353

20.2.2　脉宽调制控制输出子程序初始化 355

20.2.3 串口通信子程序 355

20.2.4　采样子程序 356

20.2.5　控制计算子程序 357

20.3　PC软件设计 357

21.1　倒立摆模型分析 361

21.1.1　模型分析 361

第21章　模型分析与控制算法设计 361

21.1.2　试验参数计算 363

21.2　基于状态反馈的带观测器的倒立控制 364

21.3　基于能量分析的摆起控制 368

21.3.1　摆起控制的实现方法 368

21.3.2 “摆起—倒立”控制效果 369

22.1　随动系统的结构和原理 372

22.1.1　把倒立摆改装为随动系统 372

第22章　随动系统 372

22.1.2　电平转换器 373

22.2　随动系统稳定性分析 375

22.3　随动系统的时域特性分析 376

22.4　随动系统的频域特性分析 378

22.5　随动系统的频域校正实验 380

附录A　C-Lib中的函数集 385

附录B　解耦图形的推导 397

附录C 电机调速程序 399