球形移动机器人是指一类将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一球形壳体内的系统的总称。由于这类机器人具有良好的动态和静态平衡性，同时具有很好的密封性，可以行驶在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中，并具有水陆两栖功能。可应用于行星探测、环境监测、国防装备、娱乐等领域。 本文介绍的系统是以计算能力强的DSP为所设计的新形球形机器开环控制器。

　　1  驱动机结构简介

　　一种高效驱动机由电机控制器、电机、联轴器和驱动轮组成，电机输出轴用联轴器与驱动轮主轴直接联接，通过电机控制器旋钮调节电机的转速，来控制驱动轮主轴的转速，进而调节驱动轮的旋转速度，实现改变驱动机的速度和运量的目的。该装置结构简单，维护方便，工作效率高，适用范围广，节省电能，经济效益显着。其特征在于：电机是调速电机，电机控制器是调速电机控制器，电机固定在驱动机的底架上，电机控制器与电机用导线联接，电机输出轴用联轴器与驱动轮直接联接。

　　目前的球型机器人大都采用重力驱动，即通过某种机构改变整个系统的重心，从而使它按特定的方向运动。其结构简图如图1所示。

　　该机器人有4个电机，每个电机带着一个偏心重块，按空间对称方式安装在球壳内部，并且D1、D2、D3、D4 4个电机的回转轴分别都指向球心。每个电机都带角度传感器，用于测量电机的转角，分别如图中的S1、S2、S3、S4。当电机带动偏心重块转动至不同的位置时，整个系统的重心也会随之相应地改变。

　　2  控制系统设计

　　如图1的球形机器人系统控制电路的整体方案如图2所示。系统由带DSP的主控制板、采样电路、电机驱动电路、无线接收模块和无线发送模块组成。当主控制板通过无线收发模块接收到“启动”的命令字后，和采样电路、电机驱动电路协调工作，驱动系统重心至指定位置。

　　2.1 主控制板简介

　　为了保证控制电路的可靠性，加快系统的开发进度，IMEZ2407板是一个DSP的系统，其结构简图如图3所示。

　　从图3可以看出，IMEZ2407主要解决TMS320LF2407的周边必备电路，如电源模块、晶振和PLL振荡电路、编程电源VCCP（接+5V或地）运行模式MP/MC选择的跳线、JTAG接口等。另外板上还带有1片64KB的SRAM，用作调试时的程序运行空间。

　　2.2 采样电路

　　采样电路用来采集电机的转角信息。这里，角度传感器用无限旋转式的滑动变阻器。电位测量采用电阻桥方式。信号放大采用TI公司的INA321仪器放大器。采样、放大电路如图4所示。图中，R1~R4取大电阻以降低测量电路的功耗，R5可以调节电阻桥使它达到平衡，R6用来微调放大器的放大倍数，S为角度传感器。放大电路的放大倍数计算公式如下：

　　A=5+5×（R6+R7）/R8

　　2.3 电机驱动电路

　　系统所使用的电机为普通的直流电机，并带有减速器。电机参数为：额定电压：5V。额定电流：80mA。额定转速：60r/min。

　　LG9110电机的驱动电路如图5所示。

　　图中INPUTA和INPUTB接到DSP的2个PWM输出口上。MORTOR+和MORTOR-接直流电机的二端。LG9110的逻辑关系如表1所示。当IA和IB分别为高电平和低电平时，电机就会转动，而欲使电机换向，可以通过同时翻转IA和IB的电平值来实现。

　　2.4 无线收发模块

　　控制系统的命令传输采用无线收发方式。发送端由控制键盘、单片机和无线发送模块组成。控制键盘包括“启动”和“停止”按钮。当按下“启动”键时，单片机就会通过无线模块发送START命令字；按下“停止”键时，单片机发送STOP命令字。接收端由接收模块及串口传输接口组成。可以将接收到的数据通过串口发送给DSP。无线收发模块如图6所示。

　　发射和接收模块电路是一致的，只是发送端的无线模块由单片机控制，而且有2个命令按钮控制发送的数据，如图6。接收端的数据接口则连到DSP，如图6。

　　3  开环控制模型

　　球形机器人的开环控制模型如图7所示。假如适当地控制4个偏心重块的运动，使它们的合质心Mc的运动轨迹S在竖直且过球心的行进面内作匀速圆周运动；如果忽略偏心重块转动造成的离心力和惯性力，则球体就会在平面上作直线运动或近似直线的运动。

　　该机器人基于上述原理的开环控制模型如图8所示。

　　输入为给定的轨迹方程，即图7中的S，然后由转角求解器求出各电机的转角，并与实际采样所得的转角值求差分，再经PID控制器算出占空比和转向。

　　基于上述开环控制模型的控制程序框图如图9所示。由于DSP具有强大的处理能力，使得以DSP搭建的系统能及时、快速地处理机器人的多种信号。本文所描述的球形机器人控制系统，正是基于DSP处理器的这一特点，充分运用DSP强大的乘法运算能力，快速地处理机器人的位姿解算和实时控制，使球形机器人实现直线运动或更复杂的轨迹运动。