摘? 要：?介紹了一種基于DSP的足球機(jī)器人" title="足球機(jī)器人">足球機(jī)器人的車體系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用TMS320F240接口豐富、運(yùn)算速度快" title="速度快">速度快的特點(diǎn),采用PWM方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)" title="直流電動(dòng)機(jī)">直流電動(dòng)機(jī)的控制,從而使足球機(jī)器人車體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能、控制精度和抗干擾性都得到了很大的提高。

　　關(guān)鍵詞： DSP? 足球機(jī)器人? PWM? 直流電動(dòng)機(jī)

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　　足球機(jī)器人比賽是最近幾年在國際上迅速開展起來的高技術(shù)對(duì)抗活動(dòng),雖然歷時(shí)不長,但由于它集高新技術(shù)、娛樂、比賽于一體,所以引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。足球機(jī)器人融計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、決策對(duì)策、無線電數(shù)字通訊、自動(dòng)控制和最優(yōu)控制、智能體設(shè)計(jì)與電機(jī)傳動(dòng)等技術(shù)于一體,既是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)" title="機(jī)器人系統(tǒng)">機(jī)器人系統(tǒng),又為研究發(fā)展多智能體等系統(tǒng)提供了生動(dòng)的研究模型,是理論密切聯(lián)系實(shí)際的極富生命力的成長點(diǎn)。

　　足球機(jī)器人系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成:視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)。根據(jù)比賽規(guī)定,雙方機(jī)器人在賽場上進(jìn)行足球比賽,視覺系統(tǒng)通過CCD攝像頭和圖像采集卡對(duì)場上情景進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理,把辨識(shí)結(jié)果送給決策系統(tǒng),通過無線發(fā)射器向車體系統(tǒng)發(fā)出一系列控制命令,車體系統(tǒng)在場上的表現(xiàn)直接體現(xiàn)了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的好壞。為適應(yīng)比賽需要,機(jī)器人車體系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求:尺寸小于7.5cm×7.5cm×7.5cm;運(yùn)動(dòng)性能好(直線、轉(zhuǎn)向)；反應(yīng)靈活;平穩(wěn)性好;抗干擾性好;可維護(hù)性好;制造成本低。

1 微處理器的選擇

　　傳統(tǒng)的微處理器如51、96系列應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng),雖然開發(fā)周期短,但在實(shí)時(shí)控制時(shí),由于其指令功能不強(qiáng),采用串行指令,乘除法所用周期過多,外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢,使機(jī)器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速、低成本的集成電路和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn),使得系統(tǒng)的模塊化和全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于DSP特別適用于數(shù)據(jù)量多、速度快的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),而且在機(jī)器人控制系統(tǒng)中,要求控制系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行處理,因此將DSP應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。

　　美國TI公司推出的TMS320F240具有DSP內(nèi)核,將DSP的高速運(yùn)算能力及適用于電機(jī)控制的優(yōu)化的外圍電路集于一體,可以為高性能的控制系統(tǒng)提供可靠的信號(hào)處理與控制,因此這種控制系統(tǒng)是目前最具競爭力的數(shù)字電機(jī)控制器。其主要特點(diǎn)如下:

　　·32位中央處理單元,32位累加器,16位定點(diǎn)運(yùn)算。

　　·運(yùn)算速度快,指令周期為50ns。

　　·指令豐富,具有單周期循環(huán)指令,單周期乘/加指令和快速FFT變換尋址能力。

　　·544字×16位的片內(nèi)數(shù)據(jù)/編程雙尋址RAM,16K字×16位的片內(nèi)編程ROM,共可尋址224K字×16位的存儲(chǔ)器。

　　·事件管理器包括12路比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道,3個(gè)16位通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器,4個(gè)捕獲單元。

　　·雙10位A/D轉(zhuǎn)換器。

　　·看門狗與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器均為8位增量計(jì)數(shù)器,前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作,在CPU出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。

　　·28個(gè)可獨(dú)立編程和復(fù)用的I/O口。

　　·具有串行通訊接口和串行外設(shè)接口。

　　本文以TMS320F240為核心,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的足球機(jī)器人車體系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　機(jī)器人車體系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它直接體現(xiàn)教練的戰(zhàn)術(shù)意圖。因此,機(jī)器人車體系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。足球機(jī)器人車體系統(tǒng)的基本行為(射門、帶球、攔截等)都是通過調(diào)整左右輪速度來實(shí)現(xiàn)的。就機(jī)器人的功能而言,主要是對(duì)左右輪速進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人車體系統(tǒng)通過無線通訊接收上位機(jī)的命令字,而后根據(jù)協(xié)議得出左右輪的速度給定,再根據(jù)檢測(cè)單元的反饋值及方向鑒別標(biāo)識(shí),通過一定的控制算法得到控制量,最后通過PWM方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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2.1 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路

　　在電器驅(qū)動(dòng)中,電動(dòng)機(jī)是機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。它將外來的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng),通常采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)或無刷電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)采用瑞士MINIMOTOR公司的2224-006SR型微型直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是具有良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能、非常高的效率等。在小功率系統(tǒng)中,常采用永磁直流電動(dòng)機(jī),它只需對(duì)電樞回路中的一個(gè)回路進(jìn)行控制,電子控制電路相對(duì)簡單。

　　為了控制直流電動(dòng)機(jī),需用半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。對(duì)于數(shù)瓦以下的微小功率電動(dòng)機(jī),常采用線性放大型驅(qū)動(dòng)方式,由于功率器件工作于線性放大區(qū),因此系統(tǒng)功率較低。大多數(shù)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)則采用開關(guān)型驅(qū)動(dòng)方式,其中定頻脈寬調(diào)制(PWM)最為常見,其優(yōu)越性在于驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的簡單性和與計(jì)算機(jī)接口的容易性。PWM式驅(qū)動(dòng)使晶體管工作在開或關(guān)的狀態(tài),不是飽和就是截止,因此功率損耗低、效率高,更重要的是拓寬了系統(tǒng)頻帶,使系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、線性度好、影響速度快等特點(diǎn)。當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí),用PWM 式放大器驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)處于微振狀態(tài),克服了靜摩擦力的影響,減少了電機(jī)死區(qū),有利于改善伺服系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性?？紤]到電壓、電流的等級(jí)及尺寸、外觀等因素,可選用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298來代替三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。L298是雙H橋高電壓大電流集成電路,可用于驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載,每個(gè)H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起,其輸出腳(SENSEA和SENSEB)用來連接電流檢測(cè)電阻。Vss接邏輯控制部分的電源,常用+5V。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1~IN4輸入引腳采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),用來控制H橋的開與關(guān),EnA、EnB引腳則為使能控制端,功率集成電路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封裝,15個(gè)引腳,可用螺釘固定在散熱器上。

　　作為機(jī)器人的傳動(dòng)裝置,目前在機(jī)器人上使用最多的是電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高、扭矩低,為了驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,不得不與適當(dāng)?shù)臏p速機(jī)構(gòu)相組合。在足球機(jī)器人的系統(tǒng)中,對(duì)減速器也有一定的要求,如間隙要小、傳動(dòng)精度要高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高等;并且應(yīng)滿足體積小、重量輕、傳動(dòng)扭矩大等要求。機(jī)器人車體根據(jù)機(jī)器人的質(zhì)量(0.5kg),要求最大線速度為160cm/s,車輪直徑4.5cm,傳動(dòng)齒輪設(shè)計(jì)為一級(jí)減速,電機(jī)軸到輪軸的減速比為1：9等。

2.2 速度檢測(cè)與方向鑒別

　　在TMS32OF240的事件管理器(EA)中,雖然有一個(gè)正交編碼脈沖(QEP)電路,可以對(duì)引腳CAP1/QEP1和CAP2/WEP2上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù),但在檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上要想達(dá)到很高的精度,其方法比較復(fù)雜,運(yùn)算量也很大。因此本系統(tǒng)采用定時(shí)計(jì)數(shù)器82C54和專用方向判別電路ST288A實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)和方向鑒別。方向判別電路ST288A可接單雙光電傳感器,具有內(nèi)部整形電路和數(shù)字濾波功能,可去除抖動(dòng)誤差;具有正向脈沖、反向脈沖、方向指示、雙向脈沖輸出等功能;具有集成度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用電磁式碼盤和電機(jī)復(fù)合在一起,型號(hào)為IE2-128。IE2-128碼盤具有128線,2通道脈沖輸出。這是兩相具有90度相位差的脈沖,將這兩相脈沖直接接到方向判別電路集成芯片ST288A上,就可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向。另外,在此系統(tǒng)中,需要對(duì)碼盤輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),采用集成芯片82C54作為計(jì)數(shù)器,向DSP提供反饋數(shù)字量,DSP將給定值與反饋值進(jìn)行比較,通過預(yù)定的控制算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

2.3 電流檢測(cè)

　　在橋式驅(qū)動(dòng)電路的輸出腳SENSEA和SENSEB與地之間連接電流檢測(cè)電阻,用來進(jìn)行電流的檢測(cè)。檢測(cè)電阻上的電壓由TMS320F240上的A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字電流信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)20kHz的電流環(huán),采樣周期為50μs。在新的PWM波產(chǎn)生前,載入電流檢測(cè)值,與給定的參考電流值一起控制PWM波的寬度,從而產(chǎn)生新的PWM波。

2.4 通訊環(huán)節(jié)

　　在足球機(jī)器人系統(tǒng)中,主機(jī)和機(jī)器人車體之間以無線方式進(jìn)行通信。主機(jī)的決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射器,經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去。機(jī)器人車體系統(tǒng)通過無線接收模塊接收主機(jī)的命令字,而后根據(jù)規(guī)定的協(xié)議譯碼得出左右輪的速度給定值,然后根據(jù)反饋單元的反饋值及方向標(biāo)識(shí),按照預(yù)定的算法進(jìn)行控制。由于足球機(jī)器人的空間有限,通常采用單向通信方式。為提高通信效率,保證質(zhì)量,要精心設(shè)計(jì)通信電路及通信協(xié)議。通信協(xié)議和控制結(jié)構(gòu)也與機(jī)器人的智能程度有關(guān)。傳遞的命令主要包括:機(jī)器人標(biāo)識(shí)、命令部分和數(shù)據(jù)部分。命令部分指明動(dòng)作模式,數(shù)據(jù)部分指明機(jī)器人以多大的速度走多遠(yuǎn)。根據(jù)機(jī)器人的智能程度,其命令格式的復(fù)雜度也不盡相同。

2.5 控制算法

　　在足球機(jī)器人中,對(duì)電機(jī)的控制采用了普遍應(yīng)用的PID控制算法。PID控制在數(shù)字化的計(jì)算機(jī)時(shí)代仍能得到廣泛應(yīng)用,主要有以下優(yōu)點(diǎn):技術(shù)成熟、算法簡單、易被人們熟悉和掌握、不需要求出數(shù)學(xué)模型、魯棒性好、可靠性高。另外,這種控制方法使用方便,運(yùn)用靈活。如需要獲得較好的穩(wěn)態(tài)精度,則采用PI控制;對(duì)于慣性較大的系統(tǒng),可以采用PID控制。此外,這種控制方法還可以方便地進(jìn)行參數(shù)整定(如比例范圍、積分時(shí)間、微分時(shí)間等)。

　　對(duì)于速度環(huán)的控制,根據(jù)給定的速度值與反饋的速度值相減得到的速度誤差,通過PI控制得到新的參考電流。

????對(duì)于電流環(huán)的控制,根據(jù)速度調(diào)節(jié)器輸出的參考電流值與反饋的電流值相減得到電流誤差,通過PID控制產(chǎn)生一定寬度的PWM波。電流誤差的大小和正負(fù)決定了PWM波的寬度。當(dāng)參考電流大于反饋電流時(shí),PWM波寬度增大,使電機(jī)加速;當(dāng)參考電流小于反饋電流時(shí),PWM波寬度為零,使電機(jī)減速;當(dāng)參考電流等于反饋電流時(shí),PWM波寬度不變。

3 程序設(shè)計(jì)

　　足球機(jī)器人車體子系統(tǒng)應(yīng)用程序主要包括主程序、串行接收中斷子程序、軟件定時(shí)器中斷子程序三大部分,系統(tǒng)的軟件方框圖如圖2所示。控制任務(wù)包括檢測(cè)電機(jī)的方向和速度,作為反饋信號(hào);控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向;接收主機(jī)的速度命令信息并進(jìn)行譯碼。

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　　將DSP應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng),充分利用DSP實(shí)時(shí)運(yùn)算速度快的特點(diǎn),是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)。以TMS320F240為核心的足球機(jī)器人車體系統(tǒng),在運(yùn)動(dòng)性能、控制精度和抗干擾性等方面都得到了很大的提高。在控制系統(tǒng)中,只需很少的元件,且具有很高的性能價(jià)格比。

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