基于16\32位DSP機器人控制系統(tǒng)設計與實現（普通高等教育十一五國家級規(guī)劃教材）

第0章  機器人學的發(fā)展和相關機器人系統(tǒng)介紹    1
0.1  機器人學的發(fā)展概述    1
0.2  機器人研究的熱點和內容    2
0.2.1  機械結構設計    2
0.2.2  體系結構設計    2
0.2.3  多機器人系統(tǒng)的研究    3
0.2.4  機器人的傳感器和傳感器信息融合    4
0.2.5  機器人的電路系統(tǒng)設計    5
0.3  足球機器人簡介    6
0.3.1  足球機器人主要組成部分    6
0.3.2  研究足球機器人的意義    8
0.4  自平衡兩輪電動車簡介    9
0.5  倒立擺機器人系統(tǒng)概述    10
第1部分  基礎理論
第1章  DSP概述    12
1.1  DSP的特點    12
1.2  TI公司的DSP產品    14
第2章  TMS320LF240x概述    17
2.1  TMS320C2000系列DSP概況    17
2.2  TMS320LF240x芯片特點    17
2.3  TMS320LF240x DSP的PGE封裝圖和CPU控制器功能結構圖    18
2.4  TMS320LF240x DSP引腳功能    21
2.5  TMS320LF240x DSP存儲器映射圖    27
2.6  TMS320LF240x DSP外設存儲器映射圖    30
2.7  TMS320LF240x的存儲器和IO空間    31
2.7.1  程序存儲器    31
2.7.2  數據存儲器    32
2.7.3  I/O空間    34
第3章  TMS320LF240x DSP內部資源    35
3.1  TMS320LF240x DSP的CPU功能模塊    35
3.1.1  狀態(tài)寄存器ST0和ST1    38
3.1.2  輸入定標移位器    40
3.1.3  乘法器    41
3.1.4  中央算術邏輯部分    42
3.1.5  輔助寄存器算術單元（ARAU）    43
3.2  系統(tǒng)配置和中斷    45
3.2.1  系統(tǒng)配置寄存器    47
3.2.2  中斷優(yōu)先級和中斷向量表    51
3.2.3  外設中斷擴展控制器（PIE）    54
3.2.4  中斷向量    56
3.2.5  中斷響應的流程    57
3.2.6  中斷響應的延時    58
3.2.7  CPU中斷寄存器    58
3.2.8  外設中斷寄存器    61
3.2.9  復位    67
3.2.10  無效地址檢測    67
3.2.11  外部中斷控制寄存器    67
3.3  程序控制    69
3.3.1  程序地址的產生    69
3.3.2  流水線操作    72
3.3.3  轉移、調用和返回    73
3.3.4  條件轉移、調用和返回    74
3.3.5  重復單條指令    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的引腳及其功能    79
4.3  C28x系列DSP的內部結構    92
第5章  C28x系列DSP內部資源介紹    98
5.1  中央處理器單元CPU    98
5.1.1  CPU的邏輯圖及特性    99
5.1.2  CPU的結構及其總線    100
5.1.3  CPU的寄存器    101
5.2  時鐘和系統(tǒng)控制    106
5.2.1  時鐘信號和控制寄存器    106
5.2.2  振蕩器OSC和鎖相環(huán)PLL時鐘模塊    107
5.2.3  低功耗方式模塊    109
5.2.4  看門狗模塊    110
5.3  CPU的中斷系統(tǒng)和復位    110
5.3.1  CPU中斷向量和優(yōu)先級    112
5.3.2  CPU中斷寄存器    113
5.3.3  可屏蔽中斷處理的標準操作流程    113
5.3.4   不可屏蔽中斷    114
5.4  片內外設的中斷擴展（PIE）    115
5.4.1  向量映射    116
5.4.2  從外設到CPU的多通道中斷請求流程    118
5.4.3  PIE向量表    118
5.5  32位CPU定時器0/1/2    125
5.5.1  CPU定時器的寄存器    126
第6章  C語言程序編寫和調試環(huán)境    131
6.1  TMS320C2x/C2xx/C5x C編譯器概述    131
6.2  TMC320C2x/C2xx/C5x C編譯器環(huán)境    132
6.2.1  主要菜單及功能介紹    134
6.2.2  工作窗口區(qū)    137
6.2.3  利用TMC320C2x/C2xx/C5x C編譯器開發(fā)應用程序    139
6.2.4  頭文件和命令文件示例    142
第2部分  RoboCup小型組機器人
第7章  RoboCup簡介    151
7.1  機器人足球比賽的起源和類型    151
7.2  小型組比賽    152
7.3  國內外的相關進展    153
7.3.1  國際領先隊伍介紹    153
7.3.2  國內參賽隊伍介紹    154
7.4  小型組比賽系統(tǒng)    155
7.4.1  系統(tǒng)組成及其相互關系    155
7.4.2  視覺子系統(tǒng)    155
7.4.3  決策子系統(tǒng)    156
7.4.4  無線通信子系統(tǒng)    157
7.4.5  機器人車體子系統(tǒng)    159
第8章  底層系統(tǒng)設計    160
8.1  研究的出發(fā)點和發(fā)展趨勢    160
8.2  機構設計概況    161
8.3  電路系統(tǒng)設計概況    164
第9章  機構設計    166
9.1  機構設計流程    166
9.2  設計目標    166
9.3  運動機構的分析與設計    167
9.3.1  輪子的設計思想    167
9.3.2  輪子布局    171
9.4  球處理機構的分析與設計    176
9.4.1  帶球機構    176
9.4.2  擊球機構    179
9.4.3  挑球機構    181
第10章  電路系統(tǒng)分析與設計    185
10.1  電路系統(tǒng)總述    185
10.2  主控芯片的性能與工作方式    187
10.2.1  TMS320F2812    187
10.2.2  HCTL2000    188
10.3  通信系統(tǒng)    192
10.3.1  通信結構    193
10.3.2  nRF2401    193
10.3.3  異步串行通信芯片ST16C550    194
10.4  各執(zhí)行機構的驅動與控制電路    198
10.4.1  帶球機構    198
10.4.2  運動機構    199
10.4.3  擊球和挑球機構    201
10.5  傳感器電路設計    203
10.5.1  球檢測電路    203
10.5.2  車體姿態(tài)傳感器    204
10.5.3  ADXL210JE    205
10.5.4  ADXRS300    208
10.6  輔助電路    213
10.6.1  74HC595    213
10.6.2  EEPROM    217
第11章  控制系統(tǒng)的實現    230
11.1  控制系統(tǒng)簡介    230
11.2  指令信息的接收與處理    230
11.3  機構控制    236
11.3.1  帶球機構    236
11.3.2  擊、挑球機構    237
11.4  異常預防與處理    238
11.5  軟件實現    240
第12章  運動控制    242
12.1  綜述    242
12.2  基于動力學模型的實時次優(yōu)軌跡生成算法    243
12.2.1  建模    243
12.2.2  輸入域的解耦和分離    245
12.2.3  基于bang-bang控制的軌跡生成算法    247
12.2.4  軌跡同步    249
12.2.5  結果    250
12.3  底層運動控制    253
12.3.1  基于數字PI算法的電機調速    253
12.3.2  針對扭矩控制的改進數字PI算法    255
12.3.3  基于強化學習的參數整定方法    257
第3部分  自平衡兩輪電動車
第13章  概述    260
13.1  自平衡兩輪電動車及其設計流程    260
13.1.1  自平衡兩輪電動車    260
13.1.2  自平衡兩輪電動車設計流程    261
第14章  系統(tǒng)動力學分析    263
14.1  力學分析    263
14.1.1  建立坐標系    263
14.1.2  系統(tǒng)模型參數    263
14.1.3  系統(tǒng)速度    264
14.1.4  系統(tǒng)動能的計算    265
14.1.5  系統(tǒng)運動微分方程    267
14.2  系統(tǒng)參數的測量    270
14.2.1  理論基礎    270
14.2.2  硬件電路工作原理    271
14.2.3  參數測量    273
第15章  硬件設計    276
15.1  總體設計    276
15.2  DSP TMS320LF2407A    277
15.2.1  TMS320LF240xA概述    277
15.2.2  TMS320LF2407A    279
15.3  擺桿角度的測量    280
15.3.1  傳感器簡介    280
15.3.2  傾角傳感器    281
15.4  擺桿角速度的測量    284
15.4.1  微型固態(tài)陀螺MEMS角速度傳感器    284
15.4.2  ENC-03JA角速度傳感器    286
15.5  左右輪角速度的測量    288
15.5.1  E6B編碼器    288
15.5.2  碼盤信號檢測    290
15.6  電源和系統(tǒng)狀態(tài)指示    291
15.6.1  電源    291
15.6.2  系統(tǒng)狀態(tài)指示    292
15.7  功放電路    292
15.7.1  功率MOSFET簡介    292
15.7.2  驅動電路    294
第16章  系統(tǒng)調試、仿真平臺    296
16.1  TMS320LF2407A與PC機的串行通信    296
16.1.1  TMS320LF2407A的串行通信接口    296
16.1.2  電平轉換電路    300
16.1.3  PC端監(jiān)控軟件    301
16.2  TMS320LF2407A與PC機的無線通信    303
16.2.1  nRF2401簡介    304
16.2.2  nRF2401在自平衡兩輪電動車調試平臺中的應用    306
16.3  PC端分析、仿真軟件——MATLAB    308
第17章  線性系統(tǒng)理論在自平衡兩輪電動車中的應用    310
17.1  理論基礎    310
17.2  幾個重要的MATLAB函數    312
17.3  自平衡兩輪電動車狀態(tài)空間模型    313
17.4  自平衡兩輪電動車載人時的狀態(tài)反饋控制    315
17.4.1  系統(tǒng)狀態(tài)方程、能控性    315
17.4.2  第一種情況    316
17.4.3  第二種情況    318
17.4.4  第三種情況    320
17.4.5  三種情況的分析    322
第4部分  旋轉式倒立擺
第18章  倒立擺系統(tǒng)概述    324
18.1  倒立擺的基本概念    324
18.2  常見的倒立擺    325
第19章  硬件設計    328
19.1  系統(tǒng)總體設計方案    328
19.1.1  旋轉式倒立擺總體結構    328
19.1.2  倒立擺系統(tǒng)工作原理    329
19.2  機械設計    330
19.3  DSP控制器    331
19.4  DSP的電源供電及時鐘選擇    335
19.4.1  供電方案    335
19.4.2  DSP的時鐘選擇    336
19.5  復位電路及MAX706    337
19.6  通信接口    339
19.7  角位移傳感器    340
19.8  無刷直流電機及控制電路    341
19.8.1  無刷直流電機的結構及原理    341
19.8.2  使用dq變換求取無刷直流力矩電機系統(tǒng)的數學模型    343
19.8.3  無刷直流力矩電機系統(tǒng)的函數    344
19.8.4  無刷直流電機的力矩波動    345
19.8.5  電機驅動的設計    346
第20章  軟件設計    352
20.1  DSP程序總體設計與流程圖    352
20.2  DSP中斷服務子程序、寄存器    353
20.2.1  初始化子程序    353
20.2.2  脈寬調制控制輸出子程序初始化    355
20.2.3  串口通信子程序    355
20.2.4  采樣子程序    356
20.2.5  控制計算子程序    357
20.3  PC軟件設計    357
第21章  模型分析與控制算法設計    361
21.1  倒立擺模型分析    361
21.1.1  模型分析    361
21.1.2  試驗參數計算    363
21.2  基于狀態(tài)反饋的帶觀測器的倒立控制    364
21.3  基于能量分析的擺起控制    368
21.3.1  擺起控制的實現方法    368
21.3.2  “擺起－倒立”控制效果    369目    錄
第0章  機器人學的發(fā)展和相關機器人系統(tǒng)介紹    1
0.1  機器人學的發(fā)展概述    1
0.2  機器人研究的熱點和內容    2
0.2.1  機械結構設計    2
0.2.2  體系結構設計    2
0.2.3  多機器人系統(tǒng)的研究    3
0.2.4  機器人的傳感器和傳感器信息融合    4
0.2.5  機器人的電路系統(tǒng)設計    5
0.3  足球機器人簡介    6
0.3.1  足球機器人主要組成部分    6
0.3.2  研究足球機器人的意義    8
0.4  自平衡兩輪電動車簡介    9
0.5  倒立擺機器人系統(tǒng)概述    10
第1部分  基礎理論
第1章  DSP概述    12
1.1  DSP的特點    12
1.2  TI公司的DSP產品    14
第2章  TMS320LF240x概述    17
2.1  TMS320C2000系列DSP概況    17
2.2  TMS320LF240x芯片特點    17
2.3  TMS320LF240x DSP的PGE封裝圖和CPU控制器功能結構圖    18
2.4  TMS320LF240x DSP引腳功能    21
2.5  TMS320LF240x DSP存儲器映射圖    27
2.6  TMS320LF240x DSP外設存儲器映射圖    30
2.7  TMS320LF240x的存儲器和IO空間    31
2.7.1  程序存儲器    31
2.7.2  數據存儲器    32
2.7.3  I/O空間    34
第3章  TMS320LF240x DSP內部資源    35
3.1  TMS320LF240x DSP的CPU功能模塊    35
3.1.1  狀態(tài)寄存器ST0和ST1    38
3.1.2  輸入定標移位器    40
3.1.3  乘法器    41
3.1.4  中央算術邏輯部分    42
3.1.5  輔助寄存器算術單元（ARAU）    43
3.2  系統(tǒng)配置和中斷    45
3.2.1  系統(tǒng)配置寄存器    47
3.2.2  中斷優(yōu)先級和中斷向量表    51
3.2.3  外設中斷擴展控制器（PIE）    54
3.2.4  中斷向量    56
3.2.5  中斷響應的流程    57
3.2.6  中斷響應的延時    58
3.2.7  CPU中斷寄存器    58
3.2.8  外設中斷寄存器    61
3.2.9  復位    67
3.2.10  無效地址檢測    67
3.2.11  外部中斷控制寄存器    67
3.3  程序控制    69
3.3.1  程序地址的產生    69
3.3.2  流水線操作    72
3.3.3  轉移、調用和返回    73
3.3.4  條件轉移、調用和返回    74
3.3.5  重復單條指令    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的引腳及其功能    79
4.3  C28x系列DSP的內部結構    92
第5章  C28x系列DSP內部資源介紹    98
5.1  中央處理器單元CPU    98
5.1.1  CPU的邏輯圖及特性    99
5.1.2  CPU的結構及其總線    100
5.1.3  CPU的寄存器    101
5.2  時鐘和系統(tǒng)控制    106
5.2.1  時鐘信號和控制寄存器    106
5.2.2  振蕩器OSC和鎖相環(huán)PLL時鐘模塊    107
5.2.3  低功耗方式模塊    109
5.2.4  看門狗模塊    110
5.3  CPU的中斷系統(tǒng)和復位    110
5.3.1  CPU中斷向量和優(yōu)先級    112
5.3.2  CPU中斷寄存器    113
5.3.3  可屏蔽中斷處理的標準操作流程    113
5.3.4   不可屏蔽中斷    114
5.4  片內外設的中斷擴展（PIE）    115
5.4.1  向量映射    116
5.4.2  從外設到CPU的多通道中斷請求流程    118
5.4.3  PIE向量表    118
5.5  32位CPU定時器0/1/2    125
5.5.1  CPU定時器的寄存器    126
第6章  C語言程序編寫和調試環(huán)境    131
6.1  TMS320C2x/C2xx/C5x C編譯器概述    131
6.2  TMC320C2x/C2xx/C5x C編譯器環(huán)境    132
6.2.1  主要菜單及功能介紹    134
6.2.2  工作窗口區(qū)    137
6.2.3  利用TMC320C2x/C2xx/C5x C編譯器開發(fā)應用程序    139
6.2.4  頭文件和命令文件示例    142
第2部分  RoboCup小型組機器人
第7章  RoboCup簡介    151
7.1  機器人足球比賽的起源和類型    151
7.2  小型組比賽    152
7.3  國內外的相關進展    153
7.3.1  國際領先隊伍介紹    153
7.3.2  國內參賽隊伍介紹    154
7.4  小型組比賽系統(tǒng)    155
7.4.1  系統(tǒng)組成及其相互關系    155
7.4.2  視覺子系統(tǒng)    155
7.4.3  決策子系統(tǒng)    156
7.4.4  無線通信子系統(tǒng)    157
7.4.5  機器人車體子系統(tǒng)    159
第8章  底層系統(tǒng)設計    160
8.1  研究的出發(fā)點和發(fā)展趨勢    160
8.2  機構設計概況    161
8.3  電路系統(tǒng)設計概況    164
第9章  機構設計    166
9.1  機構設計流程    166
9.2  設計目標    166
9.3  運動機構的分析與設計    167
9.3.1  輪子的設計思想    167
9.3.2  輪子布局    171
9.4  球處理機構的分析與設計    176
9.4.1  帶球機構    176
9.4.2  擊球機構    179
9.4.3  挑球機構    181
第10章  電路系統(tǒng)分析與設計    185
10.1  電路系統(tǒng)總述    185
10.2  主控芯片的性能與工作方式    187
10.2.1  TMS320F2812    187
10.2.2  HCTL2000    188
10.3  通信系統(tǒng)    192
10.3.1  通信結構    193
10.3.2  nRF2401    193
10.3.3  異步串行通信芯片ST16C550    194
10.4  各執(zhí)行機構的驅動與控制電路    198
10.4.1  帶球機構    198
10.4.2  運動機構    199
10.4.3  擊球和挑球機構    201
10.5  傳感器電路設計    203
10.5.1  球檢測電路    203
10.5.2  車體姿態(tài)傳感器    204
10.5.3  ADXL210JE    205
10.5.4  ADXRS300    208
10.6  輔助電路    213
10.6.1  74HC595    213
10.6.2  EEPROM    217
第11章  控制系統(tǒng)的實現    230
11.1  控制系統(tǒng)簡介    230
11.2  指令信息的接收與處理    230
11.3  機構控制    236
11.3.1  帶球機構    236
11.3.2  擊、挑球機構    237
11.4  異常預防與處理    238
11.5  軟件實現    240
第12章  運動控制    242
12.1  綜述    242
12.2  基于動力學模型的實時次優(yōu)軌跡生成算法    243
12.2.1  建模    243
12.2.2  輸入域的解耦和分離    245
12.2.3  基于bang-bang控制的軌跡生成算法    247
12.2.4  軌跡同步    249
12.2.5  結果    250
12.3  底層運動控制    253
12.3.1  基于數字PI算法的電機調速    253
12.3.2  針對扭矩控制的改進數字PI算法    255
12.3.3  基于強化學習的參數整定方法    257
第3部分  自平衡兩輪電動車
第13章  概述    260
13.1  自平衡兩輪電動車及其設計流程    260
13.1.1  自平衡兩輪電動車    260
13.1.2  自平衡兩輪電動車設計流程    261
第14章  系統(tǒng)動力學分析    263
14.1  力學分析    263
14.1.1  建立坐標系    263
14.1.2  系統(tǒng)模型參數    263
14.1.3  系統(tǒng)速度    264
14.1.4  系統(tǒng)動能的計算    265
14.1.5  系統(tǒng)運動微分方程    267
14.2  系統(tǒng)參數的測量    270
14.2.1  理論基礎    270
14.2.2  硬件電路工作原理    271
14.2.3  參數測量    273
第15章  硬件設計    276
15.1  總體設計    276
15.2  DSP TMS320LF2407A    277
15.2.1  TMS320LF240xA概述    277
15.2.2  TMS320LF2407A    279
15.3  擺桿角度的測量    280
15.3.1  傳感器簡介    280
15.3.2  傾角傳感器    281
15.4  擺桿角速度的測量    284
15.4.1  微型固態(tài)陀螺MEMS角速度傳感器    284
15.4.2  ENC-03JA角速度傳感器    286
15.5  左右輪角速度的測量    288
15.5.1  E6B編碼器    288
15.5.2  碼盤信號檢測    290
15.6  電源和系統(tǒng)狀態(tài)指示    291
15.6.1  電源    291
15.6.2  系統(tǒng)狀態(tài)指示    292
15.7  功放電路    292
15.7.1  功率MOSFET簡介    292
15.7.2  驅動電路    294
第16章  系統(tǒng)調試、仿真平臺    296
16.1  TMS320LF2407A與PC機的串行通信    296
16.1.1  TMS320LF2407A的串行通信接口    296
16.1.2  電平轉換電路    300
16.1.3  PC端監(jiān)控軟件    301
16.2  TMS320LF2407A與PC機的無線通信    303
16.2.1  nRF2401簡介    304
16.2.2  nRF2401在自平衡兩輪電動車調試平臺中的應用    306
16.3  PC端分析、仿真軟件——MATLAB    308
第17章  線性系統(tǒng)理論在自平衡兩輪電動車中的應用    310
17.1  理論基礎    310
17.2  幾個重要的MATLAB函數    312
17.3  自平衡兩輪電動車狀態(tài)空間模型    313
17.4  自平衡兩輪電動車載人時的狀態(tài)反饋控制    315
17.4.1  系統(tǒng)狀態(tài)方程、能控性    315
17.4.2  第一種情況    316
17.4.3  第二種情況    318
17.4.4  第三種情況    320
17.4.5  三種情況的分析    322
第4部分  旋轉式倒立擺
第18章  倒立擺系統(tǒng)概述    324
18.1  倒立擺的基本概念    324
18.2  常見的倒立擺    325
第19章  硬件設計    328
19.1  系統(tǒng)總體設計方案    328
19.1.1  旋轉式倒立擺總體結構    328
19.1.2  倒立擺系統(tǒng)工作原理    329
19.2  機械設計    330
19.3  DSP控制器    331
19.4  DSP的電源供電及時鐘選擇    335
19.4.1  供電方案    335
19.4.2  DSP的時鐘選擇    336
19.5  復位電路及MAX706    337
19.6  通信接口    339
19.7  角位移傳感器    340
19.8  無刷直流電機及控制電路    341
19.8.1  無刷直流電機的結構及原理    341
19.8.2  使用dq變換求取無刷直流力矩電機系統(tǒng)的數學模型    343
19.8.3  無刷直流力矩電機系統(tǒng)的函數    344
19.8.4  無刷直流電機的力矩波動    345
19.8.5  電機驅動的設計    346
第20章  軟件設計    352
20.1  DSP程序總體設計與流程圖    352
20.2  DSP中斷服務子程序、寄存器    353
20.2.1  初始化子程序    353
20.2.2  脈寬調制控制輸出子程序初始化    355
20.2.3  串口通信子程序    355
20.2.4  采樣子程序    356
20.2.5  控制計算子程序    357
20.3  PC軟件設計    357
第21章  模型分析與控制算法設計    361
21.1  倒立擺模型分析    361
21.1.1  模型分析    361
21.1.2  試驗參數計算    363
21.2  基于狀態(tài)反饋的帶觀測器的倒立控制    364
21.3  基于能量分析的擺起控制    368
21.3.1  擺起控制的實現方法    368
21.3.2  “擺起－倒立”控制效果    369
第22章  隨動系統(tǒng)    372
22.1  隨動系統(tǒng)的結構和原理    372
22.1.1  把倒立擺改裝為隨動系統(tǒng)    372
22.1.2  電平轉換器    373
22.2  隨動系統(tǒng)穩(wěn)定性分析    375
22.3  隨動系統(tǒng)的時域特性分析    376
22.4  隨動系統(tǒng)的頻域特性分析    378
22.5  隨動系統(tǒng)的頻域校正實驗    380
附錄A  C-Lib中的函數集    385
附錄B  解耦圖形的推導    397
附錄C  電機調速程序    399
第22章  隨動系統(tǒng)    372
22.1  隨動系統(tǒng)的結構和原理    372
22.1.1  把倒立擺改裝為隨動系統(tǒng)    372
22.1.2  電平轉換器    373
22.2  隨動系統(tǒng)穩(wěn)定性分析    375
22.3  隨動系統(tǒng)的時域特性分析    376
22.4  隨動系統(tǒng)的頻域特性分析    378
22.5  隨動系統(tǒng)的頻域校正實驗    380
附錄A  C-Lib中的函數集    385
附錄B  解耦圖形的推導    397
附錄C  電機調速程序    399