[嵌入式]四足机器人--嵌入式硬件设计

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前言

本文先对四足机器人–嵌入式硬件设计做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章

提示：以下是本篇文章正文内容

一、电源管理板设计及制作

电源管理的作用是提供机器人各个部件所需要的能源。合理设计的电控系统可以保证 机器人长时间安全运行，电源管理电路板提供5V30W的隔离电源，满足Upbroad计算机等5V供电设备的电源功率要求；提供12V25W的隔离电源，满足NIVIDA nano、激光雷达、等12V供电设备的电源功率要求；提供电流检测功能，通过霍尔电流检测芯片，输出一个表征电流的模拟电压值给ADC采集，200ms检测一次电流是否过载，防止调试时电机堵转或者负载过重时电流过大，同时防止调试过程某个硬件的短路和不稳定现象导致更多其他的硬件的损坏，烧坏设备；提供软开关技术，通过低电压信号触发场效应MOS管，控制设备的供电启停，避免把机械开关放在电池端，导致上电瞬间大电流时机械开关冒火花的现象；提供预充电电路，避免了电机和其他设备同时上电产生电源波纹干扰，使电源工作更稳定可靠。电源管理板如下所示：

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二、通讯中继板设计及制作

通讯中继的作用是处理CAN和SPI数据交换问题，四足机器人的12个关节电机can通讯进行控制，通讯带宽无法满足需求且Upbroad没有CAN通讯接口，故设计一块通讯连接板作为中间通讯设备，通过SPI总线与Upbroad通讯，通过CAN总线与12个电机通讯，为了提高CAN通讯稳定性，四路CAN通讯的收发器分别用隔离芯片保护起来，通讯中继板如下所示：

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三、力控无刷电机驱动板设计及制作

力控无刷电机作为执行器，是四足机器人的肌肉，力控无刷电机驱动的性能决定了控制算法部署的效果，是实现四足机器人高动态运动的重要影响因素之一，小型四足机器人需要通讯带宽高、简单可靠并具有一定负载能力的力控无刷电机。电机驱动芯片的过流耐值决定了机器人的负载能力，电机通讯带宽及稳定性决定了四足机器人控制动态响应的灵敏程度，在机器人高速运动时，对控制信号带宽要求较高。

1.磁场定向控制FOC控制原理

电机固件程序使用定时器以40Khz运行磁场定向控制FOC算法，首先，驱动器IC使用ADC测量三相电流矢量，通过clark变换，将三相定子坐标系的Ia,Ib,Ic变换到两相定子直角坐标系α-β的Iα,Iβ，通过park变换，将两相定子直角坐标系α-β的Iα,Iβ变换到两相转子坐标系 d-q的 Iq,Id，Iq,Id是时不变的，因此我们通过给定的dp轴电流i_d_ref、i_q_ref，，可以对Iq,Id进行单独的PI控制，输出两相转子坐标系 d-q的Vq、Vd。磁编码器采集转自的机械角度，通过逆park变换，将两相转子坐标系 d-q的Vq,Vd进行变换到两相的定子直角坐标系α-β的Uα,Uβ，通过逆clark变换，将两相的定子直角坐标系α-β的Uα,Uβ变换到三相定子坐标系的v_w、v_v、v_u，最后，通过空间矢量调制，将正弦波v_w、v_v、v_u转换成为PWM波并输入驱动器IC，进而控制三相逆变器内三个晶体管端子的通断,形成三相定子电流施加到电机端子UVW。
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2.电机转子位置、速度检测原理

数字型霍尔编码器AS5047被集成在电机驱动PCB并与转子永磁体位置对应，STM32微控制器通过SPI通讯读取数字型霍尔编码器的数值，即可获得转子的机械角度，转子的机械角度既可用于为FOC提供换向信号，又可用于反馈电机关节角度到上层控制器，进一步对转子位置进行微分即可得到转子速度，用于反馈电机关节速度到上层控制器。

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3.硬件CAN通讯原理

CAN总线通信有较好的稳定性与可靠性，虽然CAN总线最大通讯速率为1Mbps，但是我们可以通过为每条腿的配置一路CAN来满足链路通讯带宽要求。力控无刷电机通过CAN总线通信实现期望角度、期望角速度、期望力矩及增益Kp\Kd五个指令的接收，并反馈当前角度、当前角速度以及当前电流环测量的扭矩数据。
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通过把电机磁场定向控制FOC控制模块、编码器位置检测模块、通讯模块、STM32微控制器集成于一块驱动板上，减少了多余的连接电线，电机尺寸更小、质量更轻，电气连接更稳定。