基于PC／104與單片機的仿人機器人控制系統設計

主要特性有：
(1)高速、流水線結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25 MIPS)，70％的指令的執行時間為1個或2個系統時鐘周期，能滿足關節控制器的需要。
(2)有4個通用16位計數器／定時器，以及16位可編程計數器／定時器陣列，5個捕捉／比較模塊，29個端口I／O。通過對片內進行編程，以及合理地分配比較器與I／O口，實現在C8051F310芯片上產生21路PWM波。由于單片機輸出的是數字形式的控制量，必須經過D／A轉換變成模擬控制量，經伺服放大器驅動電機。
在此采用MAXIIM的12位串行D／A芯片MAX531作為數／模轉換芯片，將MAX531工作在雙極性電壓方式下，其輸出模擬量的范圍在一2．048～+2．048 V，精度為1 mV。輸出的模擬量經過運算放大器進行放大，進入伺服放大器驅動電機。
C8051F310作為關節控制器控制核心，它主要負責21路PWM的產生，在C8051F310芯片中集成了4個通用的16位計數器／定時器，5個捕捉／比較模塊，運用1個計數器／定時器和1個比較模塊控制6路I／0端口，其他3個計數器／定時器和3個比較器控制15路I／O口，來實現21路PWM波的產生。這里以6路PWM波的產生來說明運用C8051F310實現電路，其電路圖如圖4所示：CEXn引腳產生脈寬調制PWM輸出，PWM輸出的頻率取決于PCA計數器／定時器的時基，使用模塊的捕捉／比較寄存器PCA0CPLn改變PWM輸出信號的占空比。當關節控制器接收給定的6個電機轉動角度序列數據后．由軟件將6個數據從小到大排列，并依次求出相鄰2個數的差值，按照最小的數、前2個數的差值到最后兩個數的差值排列好，并將從小到大的數據對映的交叉開關的地址依次對映。
程序將第一個最小角度數放入比較寄存器的低8位PCA0CPLn中，當PCA計數器／定時器的低字節(PCAOL)與PCA0CPLn中的值相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”；同時程序將第二個數據即差值放入比較寄存器的PCA0CPLn中，PCA計數器／定時器清零，并將交叉開關置位到相應的輸出腳，當PCA計數器／定時器的低字節(PCAOL)與PCA0CPLn中的值再次相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”，直到這組數據完畢。PCAOL中的計數值溢出，CEXn輸出被復位，準備第二輪的PWM波的產生。

3 實 驗
3．1 圖像采集處理
為了使機器人能夠達到預定目標，必須對軟件系統進行設計規劃。主控計算機上安裝了WIN98系統，圖像采集與處理采用VC進行編程，下面是圖像采集處理的程序運行界面如圖5所示。

3．2 仿人機器人穩定步行
運用這種控制系統來實現DF一1仿人機器人行走的控制，通過實驗表明，此系統能夠完成仿人機器的動態穩定行走，圖6是一系列行走連續行走的截圖。

4 結 語
基于PC／104嵌入式計算機和C8051F310芯片設計了仿人機器人的控制系統，實現了機器人的圖像采集和處理，以及機器人的穩定步行。PC／104嵌入式計算機功能齊備，運算能力強，可擴展性好，作為仿人機器人控制系統有它獨特的優點。單片機實現仿人機器人的關節控制，由于其計算能力有限，難以實現復雜的控制，因此這種控制系統可以用來作為實驗用和教學用機器人。