实验室最近在做一个足式机器人项目，我主要负责基于STM32F407ZGT6芯片控制板机器人的运动控制系统设计，打算用博客的形式记录自己的收获，机器人自下向上的总体架构是：机器人机械结构->直流电机->电机驱动器->STM32F407控制板。项目处于前期程序模块设计阶段，首先需要验证电机的运动性能，用周期性的运动更容易获得结果，所以选择余弦信号,电机转动角度公式：
，由公式能够得出电机转动角度为A，求导后得到角速度公式：
,由公式可以看出电机的运行速度是从零开始增加的，可以减小电机启动负载。
本模块的最终目的是通过stm32控制板定时器的输出比较功能输出占空比变化的PWM波，该PWM波信号作为电机驱动器的输入控制信号，控制电机在正弦速度下运行（电机驱动器输入信号可以是PWM波，有速度闭环，并且我们项目还没有安装角度传感器，所以位置控制目前是开环的）。实现的思路是通过stm32的定时器设定电机运行步长时间steptime，然后累加运行时间runtime，带入上面速度公式，即可得到当前运动速度velocity_now，然后与电机最大运行速度做比，获得此时PWM波占空比，设置定时器的比较值ccr，这样就能让电机做三角函数跟随运动。
由于足式机器人的关节转动是作往复摆动运动，所以电机也需要验证正反转，我的解决办法是当速度小于零时，使能驱动器反转信号，使电机反转。程序的目的和思路都说完了，接下来就是具体的程序实现了。
首先是三角函数公式这部分，主要是得到当前时间电机的转速，该部分程序是可以通用的，由于我单腿是三个关机，所以有三个电机需要控制。
- void motor_motion_sine(float steptime, float runtime, float Amplitude[3], float Frequency[3], float MotionTime, float MotorVel[3])
- {
- float MotorSinW[3];
- MotorSinW[0]=2*pi*Frequency[0];
- MotorSinW[1]=2*pi*Frequency[1];
- MotorSinW[2]=2*pi*Frequency[2];
- float GaitTimeU=runtime;
-
- if(GaitTimeU
- {
- MotorVel[0]=MotorSinW[0]*Amplitude[0]*sin(MotorSinW[0]*GaitTimeU);
- MotorVel[1]=MotorSinW[1]*Amplitude[1]*sin(MotorSinW[1]*GaitTimeU);
- MotorVel[2]=MotorSinW[2]*Amplitude[2]*sin(MotorSinW[2]*GaitTimeU);
- }
- }
运行时间我是用定时器来实现的，这样可以实现需要的控制周期，目前的控制周期是5ms，即200Hz，每5ms进入中断服务函数计算运行速度，并改变PWM波占空比，该中断服务函数后面会添加传感器数据采集处理、与上位机通信等模块。我用的是通用定时器TIM4，程序如下：
- void TIM4_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
- {
- TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
- NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
-
- RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE); ///使能TIM4时钟
-
- TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; //自动重装载值
- TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc; //定时器分频
- TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
- TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
-
- TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure);//初始化TIM4
-
- TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时器4更新中断
- TIM_Cmd(TIM4,ENABLE); //使能定时器4
-
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM4_IRQn; //定时器4中断
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; //抢占优先级1
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x03; //子优先级3
- NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
- NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
-
- }
- //定时器4中断服务函数
- static int countt=0;//variable for count
- float motorvel[3]={0.0,0.0,0.0};//motor velocity
- void TIM4_IRQHandler(void)
- {
- LED0=!LED0;
- float ampl[3]={pi/4,pi/4,pi/4};// amplitude unit:V
- float stptime=0.005;//steptime:5ms
- float runt=0;
- float freq[3]={0.5,0.5,0.5};//frequence
- float motime=200;//motion time:10s
- runt=countt*stptime;
- countt++;
- if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)==SET) //溢出中断
- {
- LED1=!LED1;//DS1翻转
- motor_motion_sine(stptime, runt, ampl, freq,motime, motorvel);//调用速度公式函数
- motor_open_excute(motorvel,500,freq,ampl);//执行
- }
- TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update); //清除中断标志位
- }
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