摘? 要：?介紹了一種基于DSP的足球機器人" title="足球機器人">足球機器人的車體系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用TMS320F240接口豐富、運算速度快" title="速度快">速度快的特點,采用PWM方式,實現(xiàn)了對直流電動機" title="直流電動機">直流電動機的控制,從而使足球機器人車體系統(tǒng)的運動性能、控制精度和抗干擾性都得到了很大的提高。
關(guān)鍵詞： DSP? 足球機器人? PWM? 直流電動機
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足球機器人比賽是最近幾年在國際上迅速開展起來的高技術(shù)對抗活動,雖然歷時不長,但由于它集高新技術(shù)、娛樂、比賽于一體,所以引起了社會的廣泛關(guān)注。足球機器人融計算機視覺、模式識別、決策對策、無線電數(shù)字通訊、自動控制和最優(yōu)控制、智能體設(shè)計與電機傳動等技術(shù)于一體,既是一個典型的智能機器人系統(tǒng)" title="機器人系統(tǒng)">機器人系統(tǒng),又為研究發(fā)展多智能體等系統(tǒng)提供了生動的研究模型,是理論密切聯(lián)系實際的極富生命力的成長點。
足球機器人系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)構(gòu)成:視覺子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、機器人車體子系統(tǒng)。根據(jù)比賽規(guī)定,雙方機器人在賽場上進行足球比賽,視覺系統(tǒng)通過CCD攝像頭和圖像采集卡對場上情景進行實時采集和處理,把辨識結(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)了整個機器人系統(tǒng)的好壞。為適應(yīng)比賽需要,機器人車體系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾點設(shè)計要求:尺寸小于7.5cm×7.5cm×7.5cm;運動性能好(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)用于機器人系統(tǒng),雖然開發(fā)周期短,但在實時控制時,由于其指令功能不強,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)和實時控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),而且在機器人控制系統(tǒng)中,要求控制系統(tǒng)在極短時間內(nèi)對反饋信號進行處理,因此將DSP應(yīng)用于機器人控制系統(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的高速運算能力及適用于電機控制的優(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)字電機控制器。其主要特點如下:
·32位中央處理單元,32位累加器,16位定點運算。
·運算速度快,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位的存儲器。
·事件管理器包括12路比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道,3個16位通用定時/計數(shù)器,4個捕獲單元。
·雙10位A/D轉(zhuǎn)換器。
·看門狗與實時中斷定時器均為8位增量計數(shù)器,前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作,在CPU出錯時產(chǎn)生復(fù)位信號,后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請求。
·28個可獨立編程和復(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)計結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的足球機器人車體系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
機器人車體系統(tǒng)相當(dāng)于整個足球機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),它直接體現(xiàn)教練的戰(zhàn)術(shù)意圖。因此,機器人車體系統(tǒng)性能的優(yōu)劣對整個機器人系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。足球機器人車體系統(tǒng)的基本行為(射門、帶球、攔截等)都是通過調(diào)整左右輪速度來實現(xiàn)的。就機器人的功能而言,主要是對左右輪速進行調(diào)整。機器人車體系統(tǒng)通過無線通訊接收上位機的命令字,而后根據(jù)協(xié)議得出左右輪的速度給定,再根據(jù)檢測單元的反饋值及方向鑒別標(biāo)識,通過一定的控制算法得到控制量,最后通過PWM方式驅(qū)動電機以實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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2.1 電機與驅(qū)動電路
在電器驅(qū)動中,電動機是機器人驅(qū)動系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。它將外來的控制信號轉(zhuǎn)換成機械能,驅(qū)動機器人運動,通常采用步進電動機、直流伺服電動機或無刷電動機。本系統(tǒng)采用瑞士MINIMOTOR公司的2224-006SR型微型直流電動機。直流電動機的最大特點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機,它只需對電樞回路中的一個回路進行控制,電子控制電路相對簡單。
為了控制直流電動機,需用半導(dǎo)體功率器件進行驅(qū)動。對于數(shù)瓦以下的微小功率電動機,常采用線性放大型驅(qū)動方式,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)直流電動機驅(qū)動則采用開關(guān)型驅(qū)動方式,其中定頻脈寬調(diào)制(PWM)最為常見,其優(yōu)越性在于驅(qū)動電子設(shè)備的簡單性和與計算機接口的容易性。PWM式驅(qū)動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。當(dāng)輸入信號為零時,用PWM 式放大器驅(qū)動的伺服電機處于微振狀態(tài),克服了靜摩擦力的影響,減少了電機死區(qū),有利于改善伺服系統(tǒng)低速運行時的平穩(wěn)性。考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素,可選用集成電機驅(qū)動芯片L298來代替三極管構(gòu)成的驅(qū)動電路。L298是雙H橋高電壓大電流集成電路,可用于驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機和步進電動機等電感性負(fù)載,每個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)用來連接電流檢測電阻。Vss接邏輯控制部分的電源,常用+5V。Vs為電機驅(qū)動電源。IN1~IN4輸入引腳采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號,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個引腳,可用螺釘固定在散熱器上。
作為機器人的傳動裝置,目前在機器人上使用最多的是電動機。由于電動機的轉(zhuǎn)速高、扭矩低,為了驅(qū)動機器人,不得不與適當(dāng)?shù)臏p速機構(gòu)相組合。在足球機器人的系統(tǒng)中,對減速器也有一定的要求,如間隙要小、傳動精度要高、運動平穩(wěn)、傳動效率高等;并且應(yīng)滿足體積小、重量輕、傳動扭矩大等要求。機器人車體根據(jù)機器人的質(zhì)量(0.5kg),要求最大線速度為160cm/s,車輪直徑4.5cm,傳動齒輪設(shè)計為一級減速,電機軸到輪軸的減速比為1：9等。
2.2 速度檢測與方向鑒別
在TMS32OF240的事件管理器(EA)中,雖然有一個正交編碼脈沖(QEP)電路,可以對引腳CAP1/QEP1和CAP2/WEP2上的正交編碼脈沖進行解碼和計數(shù),但在檢測電機的轉(zhuǎn)速上要想達到很高的精度,其方法比較復(fù)雜,運算量也很大。因此本系統(tǒng)采用定時計數(shù)器82C54和專用方向判別電路ST288A實現(xiàn)對脈沖的計數(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、抗干擾能力強等特點。本系統(tǒng)采用電磁式碼盤和電機復(fù)合在一起,型號為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,就可以得到電機的轉(zhuǎn)向。另外,在此系統(tǒng)中,需要對碼盤輸出的脈沖進行計數(shù),采用集成芯片82C54作為計數(shù)器,向DSP提供反饋數(shù)字量,DSP將給定值與反饋值進行比較,通過預(yù)定的控制算法,實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制。
2.3 電流檢測
在橋式驅(qū)動電路的輸出腳SENSEA和SENSEB與地之間連接電流檢測電阻,用來進行電流的檢測。檢測電阻上的電壓由TMS320F240上的A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字電流信號。為實現(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)
在足球機器人系統(tǒng)中,主機和機器人車體之間以無線方式進行通信。主機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。機器人車體系統(tǒng)通過無線接收模塊接收主機的命令字,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,按照預(yù)定的算法進行控制。由于足球機器人的空間有限,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)也與機器人的智能程度有關(guān)。傳遞的命令主要包括:機器人標(biāo)識、命令部分和數(shù)據(jù)部分。命令部分指明動作模式,數(shù)據(jù)部分指明機器人以多大的速度走多遠。根據(jù)機器人的智能程度,其命令格式的復(fù)雜度也不盡相同。
2.5 控制算法
在足球機器人中,對電機的控制采用了普遍應(yīng)用的PID控制算法。PID控制在數(shù)字化的計算機時代仍能得到廣泛應(yīng)用,主要有以下優(yōu)點: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,運用靈活。如需要獲得較好的穩(wěn)態(tài)精度,則采用PI控制;對于慣性較大的系統(tǒng),可以采用PID控制。此外,這種控制方法還可以方便地進行參數(shù)整定(如比例范圍、積分時間、微分時間等)。
對于速度環(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,PWM波寬度增大,使電機加速;當(dāng)參考電流小于反饋電流時,PWM波寬度為零,使電機減速;當(dāng)參考電流等于反饋電流時,PWM波寬度不變。
3 程序設(shè)計
足球機器人車體子系統(tǒng)應(yīng)用程序主要包括主程序、串行接收中斷子程序、軟件定時器中斷子程序三大部分,系統(tǒng)的軟件方框圖如圖2所示?？刂迫蝿?wù)包括檢測電機的方向和速度,作為反饋信號;控制電機的轉(zhuǎn)速和方向;接收主機的速度命令信息并進行譯碼。
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將DSP應(yīng)用于機器人控制系統(tǒng),充分利用DSP實時運算速度快的特點,是當(dāng)前發(fā)展的趨勢。以TMS320F240為核心的足球機器人車體系統(tǒng),在運動性能、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格比。
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參考文獻
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