基于16\32位DSP机器人控制系统设计与实现（普通高等教育十一五国家级规划教材）

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
第1部分  基础理论
第1章  DSP概述    12
1.1  DSP的特点    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
3.2.9  复位    67
3.2.10  无效地址检测    67
3.2.11  外部中断控制寄存器    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  时钟和系统控制    106
5.2.1  时钟信号和控制寄存器    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
第6章  C语言程序编写和调试环境    131
6.1  TMS320C2x/C2xx/C5x C编译器概述    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
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  基于动力学模型的实时次优轨迹生成算法    243
12.2.1  建模    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
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
第14章  系统动力学分析    263
14.1  力学分析    263
14.1.1  建立坐标系    263
14.1.2  系统模型参数    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
第4部分  旋转式倒立摆
第18章  倒立摆系统概述    324
18.1  倒立摆的基本概念    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  无刷直流电机及控制电路    341
19.8.1  无刷直流电机的结构及原理    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
第21章  模型分析与控制算法设计    361
21.1  倒立摆模型分析    361
21.1.1  模型分析    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目    录
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
第1部分  基础理论
第1章  DSP概述    12
1.1  DSP的特点    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
3.2.9  复位    67
3.2.10  无效地址检测    67
3.2.11  外部中断控制寄存器    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  时钟和系统控制    106
5.2.1  时钟信号和控制寄存器    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
第6章  C语言程序编写和调试环境    131
6.1  TMS320C2x/C2xx/C5x C编译器概述    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
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  基于动力学模型的实时次优轨迹生成算法    243
12.2.1  建模    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
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
第14章  系统动力学分析    263
14.1  力学分析    263
14.1.1  建立坐标系    263
14.1.2  系统模型参数    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
第4部分  旋转式倒立摆
第18章  倒立摆系统概述    324
18.1  倒立摆的基本概念    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  无刷直流电机及控制电路    341
19.8.1  无刷直流电机的结构及原理    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
第21章  模型分析与控制算法设计    361
21.1  倒立摆模型分析    361
21.1.1  模型分析    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
第22章  随动系统    372
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
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
第22章  随动系统    372
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
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