??? 摘 要： Robocup中型組的足球機器人" title="足球機器人">足球機器人控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)設計。描述了以S3C44BOX為主控芯片，SM5004為驅(qū)動芯片的底層運動控制" title="運動控制">運動控制模塊的硬件結構，通過分析四輪全向機器人的運動學模型，使用模糊自適應PID控制算法完成對機器人的閉環(huán)控制。實踐證明，以這種控制器作為ROBOCUP中型組機器人的底層運動控制系統(tǒng)" title="運動控制系統(tǒng)">運動控制系統(tǒng)，其速度、位置及控制精度等指標均達到了設計要求。
??? 關鍵詞： Robocup中型組? 運動控制? ARM? 四輪全向機器人? PID
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1 足球機器人簡述
??? 機器人足球是人工智能領域與機器人領域的基礎研究課題，是一個極富挑戰(zhàn)性的高技術密集型項目。機器人足球比賽的設想首先是由加拿大不列顛哥倫比亞大學的教授Alan Mackworth在1992年的論文《On Seeing Robots》中提出的。如今，國際機器人足球聯(lián)合會（FIRA）和機器人世界杯賽聯(lián)合會（Robocup）已組織了各種形式的機器人足球競賽，有力地促進了這一活動的發(fā)展。在競賽足球機器人中主要有以下關鍵技術：圖像采集與處理、路徑規(guī)劃、決策、運動控制、多傳感器信息融合、多智能體協(xié)作等。
??? 機器人足球由四部分組成：機器人小車系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和計算機決策系統(tǒng)。機器人小車作為比賽的具體執(zhí)行者，其性能優(yōu)劣直接影響到策略水平的發(fā)揮。足球機器人底層控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)是新型足球機器人小車設計任務中的重要組成部分。小車的性能主要由車體性能與車載嵌入式控制系統(tǒng)——足球機器人底層控制系統(tǒng)決定。當小車車體具有良好的運動性能后，小車的性能就由車載嵌入式系統(tǒng)決定。因此構建一個快速、安全、可靠的實時嵌入式系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關鍵。
2 東風—Ⅱ型機器人
??? 東風—Ⅱ型機器人是由第二炮兵工程學院獨立設計完成的Robocup中型組足球機器人，其視覺子系統(tǒng)采用了基于全景視覺的圖像采集與處理，利用圖像信息、慣性儀表與超聲波傳感器的信息融合為機器人自定位，上位機利用機器人的自定位以及球場上本方、對方和球的位置信息做出路徑規(guī)劃，并對下位機發(fā)出指令。下位機根據(jù)接收到的指令把機器人的速度分解到四個輪子上，并由運動控制芯片完成反饋控制，其結構如圖1所示。
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3 機器人的運動控制系統(tǒng)
??? 本機器人的硬件系統(tǒng)由PC機和32位嵌入式微處理器、4軸運動控制芯片、驅(qū)動芯片、存儲芯片以及接口芯片等組成。其中PC機作為上位機，主要完成圖像處理、控制決策等任務；而機器人小車的運動控制主要由嵌入式系統(tǒng)和運動控制卡完成。系統(tǒng)框圖如圖2。
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3.1 SM5004的主要功能
??? SM5004為深圳斯邁迪公司研制的DSP運動控制專用芯片，內(nèi)嵌強大的軟件插補和監(jiān)控模塊，能同時控制四個脈沖型伺服電機驅(qū)動器或步進電機驅(qū)動器，SM5004還有伺服電機反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報警信號）、加減速驅(qū)動、軟硬件限位、自動原點搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能。
??? 在本系統(tǒng)中，SM5004完成的主要功能如下：
??? (1)接收CPU的命令和數(shù)據(jù)，并進行相應的驅(qū)動操作。SM5004根據(jù)接收到的命令，輸出相應的脈沖串，控制四個伺服電機并分別進行定速控制。
??? (2)反饋控制。SM5004每個軸都有2個32位位置計數(shù)器。一個是邏輯位置計數(shù)器，用于計算實際輸出的脈沖數(shù)，以此記錄驅(qū)動所處的邏輯位置；另一個是實際位置計數(shù)器，用于計算從外部編碼器來的脈沖，以此記錄驅(qū)動實際位置。每軸還有兩個32位比較寄存器，用于比較邏輯位置計數(shù)器和實際位置計數(shù)器，并根據(jù)差值關系實現(xiàn)軟件限位，從而達到閉環(huán)控制。
3.2 ARM微控器S3C44BOX
??? S3C44BOX是由SAMSUNG公司推出的16/32位RISC處理器，是一款高性價比和高性能的微控制器。S3C44BOX使用ARM7TDMI內(nèi)核，采用0.25μm CMOS工藝制造，它提供了豐富的片上外設，主要包括：8KB Cache和內(nèi)部SRAM，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，帶PWM功能的5通道定時器和一個內(nèi)部定時器，I/O端口，通過片內(nèi)DLL倍頻器可實現(xiàn)最大66MHz的工作頻率。S3C44BOX與SM5004的連接如圖3所示。
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3.3 PWM控制信號輸出模塊
??? SM5004有四路PWM輸出，可同時控制四個伺服電機進行運動，但從芯片輸出的PWM信號不足以直接驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，需要使用驅(qū)動器將其轉(zhuǎn)換為可用的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路中H橋電路選取了允許大電流大電壓的功率場效應管IRF4905和IRF3205，并使功率場效應管完全工作于飽和區(qū)，有效防止了因電路發(fā)熱而浪費能源，設計中也注意消除了共態(tài)導通問題；輸入端采用光電隔離消除電路對控制端的影響。實驗證明，該驅(qū)動電路設計完全滿足要求，可應用于中型機器人比賽。驅(qū)動電路如圖4所示。
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圖4 驅(qū)動電路
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3.4 測速反饋單元
??? 為了提高反饋信號的精度，對光電碼盤輸出的光電脈沖進行四倍頻，將四倍頻后的脈沖信號計數(shù)，在轉(zhuǎn)速較高的時刻可以滿足精度要求，即使在轉(zhuǎn)速較低、脈沖很少時，四倍頻后的測速脈沖依然可以獲得較高的分辨率。該電路除了四倍頻信號外還具有電機鑒相功能。當周期電機轉(zhuǎn)速方向改變時，兩個脈沖周期Encoder A與Encoder B的相位發(fā)生變化，在第二個觸發(fā)器的輸入與輸出端將出現(xiàn)不同的電平，此時同或門會輸出低電平，使CLEAR置零，16位計數(shù)器復位，開始新的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)速計數(shù)。邏輯原理圖如圖5所示。
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圖5 測速反饋單元邏輯原理
4 四輪全向機器人的運動控制
??? 東風—Ⅱ型機器人采用了四輪全向移動的運動方式，具有全向運動能力的系統(tǒng)使機器人可以向任意方向做直線運動，而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運動，并且這種輪系可滿足一邊做直線運動一邊旋轉(zhuǎn)的要求，達到終狀態(tài)所需要的任意姿態(tài)角。全向輪系的應用將使足球機器人具有運動快速靈活、控球穩(wěn)定、進攻性強及易于控制等優(yōu)點，使機器人在賽場上更具競爭力。
4.1 全向輪
??? 本機器人采用的全向輪在大輪的周圍均勻分布著小輪子，大輪由電機驅(qū)動，小輪可自由轉(zhuǎn)動。這種全方位輪可有效避免普通輪子不能側(cè)滑所帶來的非完整性約束，使機器人具有平面運動的全部三個自由度，機動性增強?；谝陨戏治?，選擇使用這種全向輪。
4.2 運動學分析
??? 在建立機器人的運動模型前，先做以下假設：
??? (1)小車是在一個理想的平面上運動，地面的不規(guī)則可以忽略。
??? (2)小車是一個剛體，形變可以忽略。
??? (3)輪子和地面之間滿足純滾動的條件，沒有相對滑動。
??? 全方位移動機器人由四個全向輪作為驅(qū)動輪，且為間隔90°均勻分布，其簡化運動學模型如圖6所示。其中xw-yw為絕對坐標系；xm-ym為固連在機器人車體上的相對坐標系，其坐標原點與機器人中心重合；θ為xw與xm的夾角；δ為輪子與ym的夾角；L為機器人中心到輪子中心的距離；vi為第i個輪子的沿驅(qū)動方向的速度。
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??? 可求出運動學方程如下：
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??? 因為輪子為對稱分布，常數(shù)δ為45°，故得到全向移動機器人的運動模型：
??? v=PS
??? 其中
為輪子的速度，
為機器人整體期望速度。
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P為轉(zhuǎn)換矩陣。
??? 這樣，就可以將機器人整體期望速度，解算為分別到四個輪子的速度，把數(shù)據(jù)傳送到控制器中，就可完成對機器人的控制。
4.3 控制算法
??? 傳統(tǒng)直流電機調(diào)速系統(tǒng)一般采用PID算法，PID控制器設計完成后，參數(shù)就固定不變，無法根據(jù)實際負載的變化而調(diào)整。為了能夠提高系統(tǒng)的動態(tài)性能及軌跡精度，本文提出了一種模糊自適應控制算法，從而使速度響應具有超調(diào)小、響應速度快、適應性強及受對象參數(shù)變化影響小等性能。系統(tǒng)取得了較好的動靜態(tài)性能。
??? 模糊自適應PID控制是模糊控制" title="模糊控制">模糊控制與傳統(tǒng)PID控制的結合, 它的設計思想是運用模糊數(shù)學的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關信息(如評價指標、初始PID參數(shù)等)作為知識存入知識庫中，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的實際響應情況，運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整。這就是模糊自適應PID控制。
??? 自適應模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，找出PID三個參數(shù)與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，根據(jù)模糊控制規(guī)則對三個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制參數(shù)的不同要求。其結構如圖7所示。
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??? 模糊控制設計的核心是總結工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對kp、ki、kd三個參數(shù)分別整定的模糊控制表。根據(jù)kp、ki、kd三個參數(shù)分別的作用，可制定模糊控制規(guī)則。以kp為例，列規(guī)則如表1，ki、kd可類似推出。
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??? 其中，將e、ec、kp、ki、kd分別定義了七個模糊子集，{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。設e、ec和kp、ki、kd均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理設計PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計算：
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??? 在線運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的在線自校正。其工作流程圖如圖8所示。
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??? 機器人運動控制系統(tǒng)是整個Robocup機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構，在場上的表現(xiàn)直接影響了整個足球機器人系統(tǒng)。機器人小車的性能優(yōu)劣對整個系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。本文基于合理的理論假設，分析了機器人的運動模型，介紹了基于ARM+FPGA控制器的足球機器人運動控制的實現(xiàn)。實驗證明，以這種控制器作為Robocup中型組機器人的底層運動控制系統(tǒng)，速度、位置及控制精度等指標均達到了設計要求。與以DSP為主控芯片的控制系統(tǒng)相比，減低了設計成本。這種機器人運動控制的實現(xiàn)方法對全方位移動機器人有一定的普適性。
參考文獻
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[3] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真.北京：電子工業(yè)出版社，2003.