标题：基于16/32位DSP的机器人控制系统的设计与实现
基本信息
ISBN：9787302139034
定价：45元
印次：1-1
装帧：平装
印刷日期：2006-10-8
图书简介
机器人的研究应用与发展对国民经济各领域的推动起到了越来越重要的作用。“机器人设计技术”课程也将在重点高校作为一门学科建设受到重视。
本书积聚了作者5年来的科研成果和丰富的教学经验，全书以4部分22章分别讲述了基于16/32位DSP机器人控制系统的理论基础，涉及时下几个主流DSP系列，如TMS320LF240x和TMS320C28x。然后，作者将获奖成果或已投入生产的项目“足球机器人”、“自平衡两轮电动车”、“旋转式倒立摆”用来具体讲述系统的实现过程，包括硬件设计、软件设计、算法设计、电路系统分析与设计等，是一本含金量相当高的科技教材。
本书已列入“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”，适合作为人工智能、自动化控制、电子电气、机械设计及相关专业的本科生教材，也适合作为研究生和相关研究开发人员的技术参考用书。
书籍目录
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
1.1DSP的特点 12
1.2TI公司的DSP产品 14
第2章TMS320LF240x概述 17
2.1TMS320C2000系列DSP概况 17
2.2TMS320LF240x芯片特点 17
2.3TMS320LF240xDSP的PGE封装图和CPU控制器功能结构图 18
2.4TMS320LF240xDSP引脚功能 21
2.5TMS320LF240xDSP存储器映射图 27
2.6TMS320LF240xDSP外设存储器映射图 30
2.7TMS320LF240x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
2.7.3I/O空间 34
第3章TMS320LF240xDSP内部资源 35
3.1TMS320LF240xDSP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
3.2.7CPU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
4.1TMS320C28x系列芯片的性能 77
4.2TMS320F28x系列DSP的引脚及其功能 79
4.3C28x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
5.1.1CPU的逻辑图及特性 99
5.1.2CPU的结构及其总线 100
5.1.3CPU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
5.3CPU的中断系统和复位 110
5.3.1CPU中断向量和优先级 112
5.3.2CPU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
5.4.3PIE向量表 118
5.532位CPU定时器0/1/2 125
5.5.1CPU定时器的寄存器 126
第6章C语言程序编写和调试环境 131
6.1TMS320C2x/C2xx/C5xC编译器概述 131
6.2TMC320C2x/C2xx/C5xC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/C5xC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
10.2.1TMS320F2812 187
10.2.2HCTL2000 188
10.3通信系统 192
10.3.1通信结构 193
10.3.2nRF2401 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
10.5.3ADXL210JE 205
10.5.4ADXRS300 208
10.6辅助电路 213
10.6.174HC595 213
10.6.2EEPROM 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?蚧??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
15.2DSPTMS320LF2407A 277
15.2.1TMS320LF240xA概述 277
15.2.2TMS320LF2407A 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
15.4.2ENC-03JA角速度传感器 286
15.5左右轮角速度的测量 288
15.5.1E6B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
16.1TMS320LF2407A与PC机的串行通信 296
16.1.1TMS320LF2407A的串行通信接口 296
16.1.2电平转换电路 300
16.1.3PC端监控软件 301
16.2TMS320LF2407A与PC机的无线通信 303
16.2.1nRF2401简介 304
16.2.2nRF2401在自平衡两轮电动车调试平台中的应用 306
16.3PC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
19.3DSP控制器 331
19.4DSP的电源供电及时钟选择 335
19.4.1供电方案 335
19.4.2DSP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
20.1DSP程序总体设计与流程图 352
20.2DSP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
20.3PC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
1.1DSP的特点 12
1.2TI公司的DSP产品 14
第2章TMS320LF240x概述 17
2.1TMS320C2000系列DSP概况 17
2.2TMS320LF240x芯片特点 17
2.3TMS320LF240xDSP的PGE封装图和CPU控制器功能结构图 18
2.4TMS320LF240xDSP引脚功能 21
2.5TMS320LF240xDSP存储器映射图 27
2.6TMS320LF240xDSP外设存储器映射图 30
2.7TMS320LF240x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
2.7.3I/O空间 34
第3章TMS320LF240xDSP内部资源 35
3.1TMS320LF240xDSP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
3.2.7CPU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
4.1TMS320C28x系列芯片的性能 77
4.2TMS320F28x系列DSP的引脚及其功能 79
4.3C28x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
5.1.1CPU的逻辑图及特性 99
5.1.2CPU的结构及其总线 100
5.1.3CPU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?退?嗷稰LL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
5.3CPU的中断系统和复位 110
5.3.1CPU中断向量和优先级 112
5.3.2CPU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
5.4.3PIE向量表 118
5.532位CPU定时器0/1/2 125
5.5.1CPU定时器的寄存器 126
第6章C语言程序编写和调试环境 131
6.1TMS320C2x/C2xx/C5xC编译器概述 131
6.2TMC320C2x/C2xx/C5xC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/C5xC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
10.2.1TMS320F2812 187
10.2.2HCTL2000 188
10.3通信系统 192
10.3.1通信结构 193
10.3.2nRF2401 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
10.5.3ADXL210JE 205
10.5.4ADXRS300 208
10.6辅助电路 213
10.6.174HC595 213
10.6.2EEPROM 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
15.2DSPTMS320LF2407A 277
15.2.1TMS320LF240xA概述 277
15.2.2TMS320LF2407A 279
15.3摆杆角度的测量 280
15.3.1传感器?蚪?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
15.4.2ENC-03JA角速度传感器 286
15.5左右轮角速度的测量 288
15.5.1E6B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
16.1TMS320LF2407A与PC机的串行通信 296
16.1.1TMS320LF2407A的串行通信接口 296
16.1.2电平转换电路 300
16.1.3PC端监控软件 301
16.2TMS320LF2407A与PC机的无线通信 303
16.2.1nRF2401简介 304
16.2.2nRF2401在自平衡两轮电动车调试平台中的应用 306
16.3PC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
19.3DSP控制器 331
19.4DSP的电源供电及时钟选择 335
19.4.1供电方案 335
19.4.2DSP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
20.1DSP程序总体设计与流程图 352
20.2DSP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
20.3PC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?刺?蠢〉拇?鄄馄鞯牡沽⒖刂?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AC-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AC-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[1]