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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

1.1　DSP的特点12

第1章　DSP概述12

第1部分　基础理论12

1.2　TI公司的DSP产品14

第2章 TMS320LF240x概述17

2.1　TMS320C2000系列DSP概况17

2.2　TMS320LF240x芯片特点17

2.3　TMS320LF240x DSP的PGE封装图和CPU控制器功能结构图18

2.4　TMS320LF240x DSP引脚功能21

2.5　TMS320LF240x DSP存储器映射图27

2.6　TMS320LF240x DSP外设存储器映射图30

2.7　TMS320LF240x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

2.7.3　I/O空间34

第3章 TMS320LF240x DSP内部资源35

3.1　TMS320LF240x DSP的CPU功能模块35

3.1.1　状态寄存器ST0和ST138

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

3.2.7　CPU中断寄存器58

3.2.8　外设中断寄存器61

3.2.10　无效地址检测67

3.2.11　外部中断控制寄存器67

3.2.9　复位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

4.1　TMS320C28x系列芯片的性能77

4.2　TMS320F28x系列DSP的引脚及其功能79

4.3　C28x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CPU98

5.1.1　CPU的逻辑图及特性99

5.1.2　CPU的结构及其总线100

5.1.3　CPU的寄存器101

5.2.1　时钟信号和控制寄存器106

5.2　时钟和系统控制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

5.3　CPU的中断系统和复位110

5.3.1　CPU中断向量和优先级112

5.3.2　CPU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

5.4.3　PIE向量表118

5.5　32位CPU定时器0/1/2125

5.5.1　CPU定时器的寄存器126

6.1　TMS320C2x/C2xx/C5x C编译器概述131

第6章　C语言程序编写和调试环境131

6.2　TMC320C2x/C2xx/C5x C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/C5x C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151

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

10.2.1　TMS320F2812187

10.2.2　HCTL2000188

10.3　通信系统192

10.3.1　通信结构193

10.3.2 nRF2401193

10.3.3　异步串行通信芯片ST16C550194

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

10.5.3 ADXL210JE205

10.5.4　ADXRS300208

10.6　辅助电路213

10.6.1 74HC595213

10.6.2 EEPROM217

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

12.2.1　建模243

12.2　基于动力学模型的实时次优轨迹生成算法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260

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

14.1.2　系统模型参数263

14.1.1　建立坐标系263

14.1　力学分析263

第14章　系统动力学分析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

15.2　DSP TMS320LF2407A277

15.2.1　TMS320LF240xA概述277

15.2.2　TMS320LF2407A279

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

15.4.2　ENC-03JA角速度传感器286

15.5　左右轮角速度的测量288

15.5.1　E6B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

16.1　TMS320LF2407A与PC机的串行通信296

16.1.1　TMS320LF2407A的串行通信接口296

16.1.2　电平转换电路300

16.1.3　PC端监控软件301

16.2　TMS320LF2407A与PC机的无线通信303

16.2.1　nRF2401简介304

16.2.2　nRF2401在自平衡两轮电动车调试平台中的应用306

16.3　PC端分析、仿真软件——MATLAB308

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

18.1　倒立摆的基本概念324

第4部分　旋转式倒立摆324

第18章　倒立摆系统概述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

19.3　DSP控制器331

19.4　DSP的电源供电及时钟选择335

19.4.1　供电方案335

19.4.2　DSP的时钟选择336

19.5　复位电路及MAX706337

19.6　通信接口339

19.7　角位移传感器340

19.8.1　无刷直流电机的结构及原理341

19.8　无刷直流电机及控制电路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

20.1　DSP程序总体设计与流程图352

20.2　DSP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

20.3　PC软件设计357

21.1　倒立摆模型分析361

21.1.1　模型分析361

第21章　模型分析与控制算法设计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

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

第22章　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A　C-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