基于DSP无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现.doc

第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 1 序号： 编码： 第*届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛 作品申报书 作品名称：作品名称：基于基于dsp无无线线通通讯讯的多功能机器人的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与的研究与实现实现 学校全称：学校全称： 西北工西北工业业大学大学 申申报报者姓名者姓名 （集体名称）：（集体名称）： 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 a 类 科技发明制作 b 类 报送方式： 省级报送作品 高校直送作品 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 2 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 16 1.1 引言16 1.2 移动机器人研究现状 17 1.3 本课题研究内容及意义18 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 19 2.1 系统框架19 2.2 灵狐机器人运动建模20 .1 运动学模型运动学模型21 .2 动力学模型动力学模型23 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 24 3.1 dsp 驱动控制子系统24 .1 dspdsp 简介简介.24 .2 pwmpwm 的实现方法的实现方法.25 .3 驱动结构设计驱动结构设计26 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型.26 机械结构设计机械结构设计.27 .4 步进电机控制步进电机控制28 3.2 无线通讯子系统29 .1 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用29 .2 芯片选型芯片选型29 .3 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口30 .4 软件编程软件编程31 .5 通信协议设置通信协议设置33 3.2.6 通信传输距离的计算.33 3.3 超声波子系统34 .1 超声波测距原理超声波测距原理34 .2 系统硬件接口系统硬件接口34 .3 数据处理数据处理35 .4 结果误差分析结果误差分析36 3.4 无线图像传输子系统36 3.5 gps 辅助导航子系统38 .1 gpsgps 定位原理定位原理.38 .2 产品选型产品选型39 .3 系统硬件接口系统硬件接口40 .4 nmea-0183nmea-0183 通信标准通信标准.41 .5 gpggagpgga 语句解析语句解析.41 3.6 语音识别子系统42 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 3 .1 系统硬件接口图系统硬件接口图42 .2 非特定人语音识别程序的编写非特定人语音识别程序的编写43 3.7 音乐控制子系统45 .1 系统设计方案系统设计方案45 .2 音乐子系统的实现音乐子系统的实现45 3.8 逐球图像处理子系统46 .1 系统设计方案系统设计方案46 .2 图像处理子系统的研究与实现图像处理子系统的研究与实现47 系统结构图系统结构图.47 图像模型的选择图像模型的选择rgbrgb 模型模型.47 空间坐标变换空间坐标变换48 色标设计与识别色标设计与识别50 第第 4 4 章章 机器人底层控制算法设计机器人底层控制算法设计 51 4.1 pd 控制简介 52 4.2 系统实现52 第第 5 5 章章 实现功能及轨迹控制精度误差实验实现功能及轨迹控制精度误差实验 54 5.1 实现功能54 .1 “灵狐排练灵狐排练”模式模式54 .2 基于人的思维的反馈式近地侦察模式基于人的思维的反馈式近地侦察模式55 .3 基于视觉闭环自治的逐球模式基于视觉闭环自治的逐球模式57 5.2 轨迹控制精度分析59 .1 轨迹精度误差实验的设计和实现轨迹精度误差实验的设计和实现59 .2 误差分析误差分析59 第第 6 6 章章 总总 结结 61 6.1 概述61 6.2 主要工作和创新点61 6.3 作品适用范围及发展前景62 6.4 研究结论62 6.5 存在问题及工作展望63 主要作者本科阶段发表论文主要作者本科阶段发表论文63 参考文献. 63 附录附录 1 1 配合音乐的dsp舞蹈控制程序66 附录附录 2 2 机器人性能参数机器人性能参数.67 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 4 图11sony公司 aibo机器狗 基于基于 dspdsp 无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实现的研究与实现 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言引言 二十一世纪的钟声宣告了知识经济时代的来临，我国也相应提出 “科技兴国”方针，大力发展科技事业。机器人是传统的结构学与近代电 子技术相结合的产物，是集计算机科学、控制技术、传感器技术、电机 技术、机构学及美学等多学科为一体的高科技产物，它的出现和发展 不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类 社会生活产生深远的影响。 机器人的研究和应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的 反映，一个国家如果不拥有一定数量和 质量的机器人，就不具备产品国际竞争 的工业基础。因此，世界上许多国家，包 括中国在内都对机器人的发展予以高度 重视。 机器人已发展50年左右了，虽由于 涉及的技术太复杂，机器人还没有如人 们预期的那样,但得益于相关技术的飞速 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 5 发展，很多移动机器人即将进入人们的生活。在进入21世纪以后，已经 有超过6家公司发布了家用洗尘机器人，sony公司的aibo机器狗（图 11）更是以超过1万人民币的售价在全世界范围内卖出了上万只1， 这无疑给机器人市场注入了一只强心剂。同时工业用自动引导移动机 器人（agv）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后， agv已经被提高到了一个新的高度。 在军事方面，随着高新技术的发展，各种类型的军用机器人已经大 量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用 广泛的军用机器人。目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器 使用。在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能 完成许多载人系统无法完成的工作，如运输机器人可以在核化条件下 工作，也可以在炮火下及时进行战场救护。在地面上，机器人为联合国 维和部队排除爆炸物、扫除地雷；在波黑战场上，无人机大显身手；在 海洋中，机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密；在宇宙空间，机器人 成了火星考察的明星。 1.2 移动机器人研究现状移动机器人研究现状 在美国，日本及欧洲的许多发达国家，由于移动机器人在人工智能 理论研究、服务和娱乐领域的商业前景而受到重视，许多高校和企业 都做了一定的理论研究和实践23， 同样无线通信技术也在飞速发展45。 我国的机器人事业起步较晚，移动机器 人的研究早期主要集中在哈尔滨工业 大学、清华大学、中国科技大学、上海 交通大学等高等院校。下面介绍几个主 要的移动机器人。 美国 active media 公司成功地开发 了先锋系列轮式移动机器人。以 pioneer2-dxe 为例，如图 12 所示， 它采用两轮驱动、一轮从动的结构拖动车体在平地上运动，基于西门 图 12 美国 pioneer2-dxe7 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 6 子的 c166 的控制器在分析来自声纳传感器 和图像传感器的基础上，按照一定的控制算 法对分别驱动左右电机进行控制，从而实现 机械小车的启停、转向等。 澳大利亚墨尔本大学研制的轮式移动机 器人 robot j edgar 可以用作视觉导航移动机 器人应用的测试平台。如图 13 所示，小车 体积较小，车体高 66cm，直径为 48cm；小车 采用左右两轮分别驱动、前后各装一个定位 轮的结构，驱动速度达 40cm/s。系统集成了声纳传感器和图像传感器。 该机器人具有发现目标、自主避障的功能。 1.3 本本课题课题研究内容及意研究内容及意义义 （1）我国移动机器人研究及制作，在传感器、控制器和控制算法上普遍 落后于欧美发达国家，特别是使用单片机作为机器人的控制器，不仅 使整个电路系统复杂，而且在控制精度、控制算法及实时性方面均受 到限制。本文正是突破这种传统做法，选用性能更强的 dsp 作为控制 器的核心进行开发的。 （2）目前，国内外许多学者从理论方面研究了驱动可行走机器人的运动 规划以及控制方法，并且取得了丰硕的成果。尽管有许多控制策略考 虑到了实际系统中存在的各种不确定性和扰动对系统的影响，从而建 立了相应的鲁棒控制方法，并进行了仿真试验，但这种理论上的模拟 和实际应用的情况仍然相差甚远。要将这些理论上的控制方法应用到 实际工程中去，必须首先经过实验验证，然后才能应用到工程实际。因 此，研制轮式移动机器人的实验平台及相应的控制装置，并且在该装 置上进行控制算法的实验研究具有十分重要的意义。 （3）许多机器人，尤其是足球机器人，驱动几乎清一色是直流电机。直 流电机速度快，但控制精度低。为实现无线高精度控制机器人，本文实 现了 dsp 步进电机控制器的解决方案，理论控制精度达 0.08cm。 图 13 robot j edgar 7 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 7 （4）该作品适合于近距离侦察、攻击目标。基于蓝牙技术的无线通讯距 离短，隐蔽性好，而且独特的载波监测、地址匹配、数据就绪输出给破 译和干扰带来相当的难度。 （5）该作品还具有美学欣赏价值，又因其语音功能而具有人机互动能力， 所以有很强的娱乐性，可向玩具商品方向发展。 第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 2.1 系系统统框架框架 基于 dsp 无线通讯多功能机器人平台“灵狐”主要有三大功能，近地侦 察、逐球和舞蹈。前两者均属于半自主系统，而舞蹈功能的实现无需反 馈信息，属于完全自主系统。 近地侦察是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，其硬件框 图如图 21 所示。整套系统可分为七个子系统，即 gps 辅助导航子系 统、语音识别子系统、无线图像传输子系统、音乐控制子系统、dsp 驱 动控制子系统、无线通讯子系统及超声波子系统。无线图像传输子系 统实时传输给控制台图像数据，同时 gps 辅助导航子系统也实时地传 回机器人所在的经纬度，控制人员根据所获得的信息通过无线通讯子 系统控制机器人的运动。其中主控制台是系统控制器，dsp 驱动控制 子系统和音乐子系统可以看成执行机构或控制对象，而无线通讯子系 统则是主控制台和 dsp 驱动控制子系统中间的信息桥梁，超声波子系 统、gps 辅助导航子系统及无线图像传输子系统配合有效控制。 超声波 子系统 gps辅助导航子系统 语音识别 子系统 dsp驱动控制子系统 无线视频传输子系统 无线通信子系统 发送端接收端主控台 显示器 （gps信息和 图像信息） 视频和gps反馈 灵 狐 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 8 图21 基于人的思维判断的反馈式近地侦察模式硬件框图 逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，其硬件框图如 图 22 所示。整套系统可分为图像处理子系统、dsp 驱动控制子系统、 决策子系统和无线通讯子系统共四个子系统。视觉子系统感知场地上 环境信息和运动物体的位姿状态，并将其传送给决策系统，决策子系 统对这些信息进行分析处理，再通过运动控制函数和无线通讯接口将 决策内容转化为输出指令，无线通讯子系统以广播通信方式将指令发 送给机器人驱动子系统，机器人小车接受指令完成速度跟踪控制。 决策子系统 图像处理子 系统 运动控制子 系统 机器人dsp驱 动控制子系统 无线通信子 系统发送端 c 无线通信子系统 数字图像 pc 摄 像 头 图22 基于视觉闭环自治的逐球机器人模式硬件框图 整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。图 23 是逐球机器人系统平台全视图。 图23 逐球机器人模式平台全视图 舞蹈功能由机器人自主系统实现，按指定路径伴随音乐节拍做相应舞 蹈动作。 2.2 灵狐机器人运灵狐机器人运动动建模建模 轮式移动机器人是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人不能沿 轮轴方向运动5。非完整性控制系统没有孤立的平衡点，因此没有局 部渐进稳定平衡点，只存在包含原点的平衡流形。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 9 移动机器人的轮子可分为两种类型：传统轮和瑞典轮。图 24(a)为传 统轮的偏心方向轮。偏心轮 具有全方位运动能力，同样 瑞典轮也是全方位轮，如图 24(b)所示，点的速度为： p （2-1） sxp ue)e(rv 其中， 为轮子半径；为 r x e 轴的单位向量；为速度xu 向量；为瑞典轮的滚动轴运动的单位向量； 、 为机器人质心的 s e p v 瞬时线速度和角速度。 不同的轮式具有不同的运动能力和约束。通常用运动自由度 dom 和 舵性自由度 dos 的组合形式（dom，dos）来定义轮式机器人的移动 能力8。只具有两个运动自由度的 (2，0)系统为目前普遍研究对象。 基于 dsp 无线通讯的 agent 采用 2 轮差分结构，前后端分别有支撑的 万向轮。 .1 运动学模型运动学模型 如图 25 所示，、 轴为机器人外部环境坐标系，而、轴所代xy c x c y 表的就是机器人自身的坐标系。机器人的位姿就是， t aa yx r p 其中为机器人在绝对坐标系中的坐标。),( aa yx xoy 图 25 轮式移动机器人运动学模型 图 26 坐标转换 确定机器人的位姿要引入坐标变换的概念。如图 26 所示，抽象化机 图 24 移动机器人采用的传统轮和瑞典轮 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 10 器人为点，在绝对坐标系中的坐标为，在相对坐标系p xoy ),( aa yx 中的坐标为，机器人中心在绝对坐标系中的坐标为 ccc yox),( rr yx ，在中的角度为 。则可得点在两种坐标之间的转),( mm yx ccx oxoyp 换公式 （2-2） mrra mrra mamar mamar yxyy xxy xxyyy yyxxx )sin()cos( )cos()sin(x )sin()()cos()( )sin()()cos()( 假定轮子和地面之间没有滑动，即每瞬时与地面接触点的速度等于 零。则每个轮子的运动学方程为： （2-3） l r rlyx rlyx sincos sincos 其中， 为 1/2 机器人左右轮间距；、分别为左右轮转动的角度。l l r 假定机器人在轮子侧向没有滑动，即系统所受的非完整性约束方程 为： （2-4）0sincosyx 定义速度向量为： （2-5） r lp v v ll v 2/12/1 2/12/1 u 其中，、为机器人质心的瞬时线速度和角速度； 是 p v t lr vvw 机器人左右轮速度向量。我们可得到机器人的运动学方程可表示为： （2-6） p a a v y x 1 0 0sin 0cos pr 同时可得机器人运动轨迹的曲率半径为： （2-7） lr lr vv vvl )( 当时，曲率半径趋向无穷大，机器人作直线运动；当 lr vv 时，机器人以质心为圆心原地旋转；当不等于时，机器人围 lr vv l v r v 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 11 绕瞬心作圆周运动。 .2 动力学模型动力学模型 达朗伯原理与虚位移原理相结合，可导出动力学普遍方程，是分析 动力学的基础。动力学普遍方程可表达为统一形式6： （2-8） 0qa(q) (q)aub(q)g(q)qc(q,qm(q) t 其中，为广义坐标向量；惯性力矩矩阵； n rq nm rm(q) 哥氏力和离心力向量；重力向量；输入变 n r)qc(q, n rg(q) rn rb(q) 换矩阵；控制向量；乘积因子向量；满秩约束矩阵。 n ru m r nm ra(q) 对于差轮驱动的移动机器人，定义广义坐标向量 ，则满秩约束方程可表示为： t lr yxq （2-9） 000 0 0 a(q) cossin rlsincos rlsincos 引入乘积因子，满足运动学约束的动力学方程为： （2-10） 22 11 21 321 321 rui rui lli cossinsinym sincoscosxm ly ry z 其中，为车身重量，为轮子质量；整个机器人 wb mmm2 b m w m 绕轴的转动惯量，为车身绕的转动惯量；， c z 2 2lmii wzbz zb i c z 1 u 分别为右轮和左轮的输入力矩。综上所述，可以归纳总结出： 2 u （2-11） 00 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 2 1 2 1 g(q) )qc(q, ub(q)m(q) , u u , i i i m m y y z 此模型可用于机器人的路径跟踪控制。 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 12 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 近地侦察系统是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，由 七个子系统组成；逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系 统，由四个子系统组成，现对每个子系统逐一介绍。 3.1 dsp 驱动驱动控制子系控制子系统统 为了保证智能系统的功能扩展、技术的更新和控制算法的研究，系 统应具有一定的开放性和软、硬件结构上的可扩展性。合理的模块化 设计、有效的任务划分、系统实时性和多任务要求都是机器人平台上 应该解决但还没有完全解决的问题。近年来，数字信号处理器 dsp 以 其完善的结构和优良的性能在通信领域、消费类电子、汽车电子产品 等领域的应用日益占有重要地位，使用 dsp 技术提升智能机器人感知、 控制性能，提高计算能力，降低总体成本成为一种发展趋势。 .1 dspdsp 简介简介 dsp 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，芯片内部采用程序和 数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作， 提供特殊的 dsp 指令，可以快速实现各种数字信号处理算法。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 13 tms320lf2407a 是为了满足控制应用而设计的，其 16 位定点 dsp 内 核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解决 方案。 tms320c24x 系列是美国 ti 公司为电机控制设计的专用芯片，在 其基础上升级了 tms320lf240x。除了具有一般 dsp 的改进的哈佛结 构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还具有以下优点10： 采用高性能的cmos工艺，使得供电电压降为3.3v,减小了控制器的 功耗；最大可达40mips的执行速度缩短了指令周期，从而提高了控 制器的实时控制能力； 片内高达32k字的flash程序存储器，高达1.5k字的数据程序 ram，544字双端口ram（drram）和2k字的单口ram（saram）； 两个事件管理器模块eva和evb，每个包括：两个16位通用定时器； 8个16位的脉宽调制（pwm）通道。它们能够实现：三相反相控制； pwm对称和非对称波形；当外部引脚出现低电平时快速 pdpintx 关闭pwm通道；可编程的pwm死区控制以防止上下桥臂同时输出 触发脉冲；3个捕获单元；片内光电编码器接口电路；16通道a/d转换 器； 片内外设有看门狗定时器和实时中断定时器；可通过事件管理器触 发1个16通道或2个8通道a/d转换器来处理反馈速度、位置、电压、 电流等模拟信号；同时还有spi、sci以及多达40个的gpio。 .2 pwmpwm 的实现方法的实现方法 应用 dsp 产生 pwm 的原理图如图 31 所示。具体实现如下： 通过设置txcon 寄存器来确定采用连续增/减计数模式。计数器按 设定的时间单位连续向上计数，当计数到设定的峰值时，计数器立 即向下计数则生成三角载波。在计数器计数过程中，如果设定的比 较寄存器的值与计数器的值相等时pwm 脉冲输出端口自动输出 高电平或低电平。 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 14 通过设置比较方式控制寄存器actra 来确定pwm 脉冲输出端 口电平为:强制高/强制低/高有效/低有效（根据功率器件的特性来定） 。 通过设置比较控制寄存器comconx 确定各路pwm 脉冲输出端 口间为哪一种切换方式：（1）当计数器的值为零时切换（2）当计数器 的值等于设定的峰值时进行切换（3）立即进行切换。 实际应用中，通过调节周期寄存器和比较寄存器的值输出一系列控 制脉冲以满足不同的控制要求。 .3 驱动结构设计驱动结构设计 移动机器人优秀表现的基础是要有一个良好运动特性的移动平台。 机器人平台的驱动控制是机器人的一个关键部分，它直接影响到整个 机器人运动的精度、灵活性乃至整个系统的可靠性，并且在整个机器 人的构造成本中一直都占有很大比重。 机器人驱动模块一般由主动轮、随动轮、固定支架、电机、驱动器及 能源系统构成。机器人小车应具备高度的机动性和灵活性，能够快速 实现前进、后退、转弯、停车等基本动作。在本系统中，机器人接收到 主机的指令，以电机作为执行机构来控制机器人的运动。为了精确控 制，系统以牺牲速度为代价采用步进电机作为执行结构。 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的 电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机 总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。其最大 优点就是不需要反馈控制，另外还有电路简单、容易与微型计算机联 接、停止时有保持转距、维护方便等优点。 选择步进电机时，要明确电机的最高运行速度和拖动负载所需的力 矩7。电机所能提供的速度及力矩取决于电机自身性能及驱动电压、 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 15 电流等因素。步进电机的基本特性是随着速度的升高力矩越来越小。 一般而言，电压越高，力矩随速度的升高下降的越慢；电流越大，力矩 越大。除此之外，还要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。 而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的 矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工 作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。 电机输出的总力矩，其中为电机启动加速力矩， fa mmm a m 为摩擦折算至电机的转矩。本文采用42bygh 永磁感应子式步进 f m 电机和smd401型驱动模块，再配合dsp的脉宽调制电路构成dsp驱动 控制子系统。电机步矩角，静转矩2.5kg.cm，其接线和矩频特性分8 . 1 别如图32和图33所示。smd401采用单极恒压驱动原理，驱动电流 可达1a。该电机工作在四相八拍方式下，可使机器人的理论线性运动 控制精度为0.08cm，最高运行速度为2.92m/s。 图 32 步进电机 42bygh 接线图 图 33 42bygh 矩频特性 机械结构设计机械结构设计 目前国内外移动机器人平台通常采用传统的伺服电机作为驱动部 件，必须通过相应的减速机构和传动装置才能够实现对移动平台的驱 动，存在结构复杂，价格昂贵，自重较大等问题，不能很好地满足机器 人系统的需要。 如图34所示，机器人采用两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构 是一种典型的驱动结构。两个驱动轮4分别由两个伺服电机3经过减速 器5分别驱动，随动轮1可置于本体前部，可也置于本体后部。机器人移 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 16 动平台的行进方向由两个驱动轮的速度差决定，通过对两个电机施加 不同的速度控制量可实现任意方向的运动。这种结构的特点是运动灵 活，但对对伺服驱动系统本身的精度和动态特性要求非常高；而且由于 采用减速器、码盘等使整个系统的结构复杂，从而带来机器人成本的 增加。 1 2 3 4 5 6 1 随动轮 2 码盘 3 电机 4 驱动轮 5 减速器 6 本体 1 2 3 1 万向轮 2 驱动轮 3 车身 4 电机 4 图34 两个高精度驱动轮和 图35 两个高精度驱动轮和 一个随动轮的结构图 两个随动轮的结构 为了既保留上述结构在运动方面的优势，又避免本体过于庞大，本 文采用的两个高精度步进电机和两个随动轮结构如图35所示， 。左右 轮2分别为驱动轮，前后分别有万向轮支撑，平台的运动速度取决于两 驱动轮的运动速度。利用该种驱动方式设计的机器人本体运动灵活， 可实现零回转半径，方向控制精度高。 该设计结构简洁，可维护性强。整个系统由于采取步进电机，不仅 使成本大大降低，而且避免了减速器、编码器等的选型、装配等一系列 问题，简化了电路，提高了系统的可靠性，减小了机器人的体积和重量。 .4 步进电机控制步进电机控制 由于步进电机结构上的特点，在一些要求高速度或平衡运行的场合 就必须有一个逐步升速的过程，否则步进电机会失步；临到终点必须有 一个减速过程，否则会造成过冲8 9 。在设计控制方式中本文充分 考虑到以上因素的制约，通过曲线拟合逐步升降频。 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 17 图 36 步进电机升降频曲线 通过多次实验对比验证本文得出结论：曲线规律（如二次式）的加减 速方案较直线式的方案在同样的拟合原理之下更具优势。图 36(a)是 匀加、减速曲线。由于电机的电磁转矩与转速是非线性关系，如按线性 关系加速时易造成转矩不足而失步。图 36(b)的曲线基本上可以满足 转矩与加速过程的关系。本系统拟合出的升降频曲线方程为 （3-1） 05197080997608271 94811410997608271 2 2 .x.x.y .x.x.y 升升 升升 在逐球机器人中，系统通过图像处理，配合 pd 控制算法，计算出 机器人的轮速。通过无线通讯发送出去，dsp 接收到指令后控制机器 人的运动。具体控制算法详见第 5 章。 3.2 无无线线通通讯讯子系子系统统 .1 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用 主机的控制指令通过计算机串口送至无线通讯模块，经过调制后发 送出去。机器人上的通信接收器接收信号并解调，然后传送给车载微 处理器。为了实现一对多的通信，一般都采用广播式传送，所有机器人 采用统一的通信频率，而发给不同机器人的命令则根据各自的标识位 加以区分。即每个机器人都能够接收到上位机发送的任一条命令，如 果机器人检测出数据的某一个字节与自己的标识相符，则随后的命令 被判断为有效，即要执行的命令。 .2 芯片选型芯片选型 蓝牙技术作为一种短距离的无线链接技术，具有稳健性、低复杂性、 低功耗性等特点10 11。基于蓝牙技术的 nrf905 是一种高性能嵌入 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 18 式的无线发送接收芯片，其由频率合成器、接收解调器、功率放大器、 晶体振荡器和调制器组成，具有体积小、通信距离远、通信速度快等优 点。其中心频率为 430/868/915mhz，具有高抗干扰 gfsk 调制，数据 传输速率 50kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输 出特性。它内置完整的通信协议 crc，可广泛适用于遥控机器人、无 线报警及安全系统、水文气象监控、无线监测、家庭自动化等诸多领域 12。 图 37 由 nrf905 构成的 ptr8000 由 nrf905 构成的 ptr8000 模块，如图 37 所示。它支持一对一 和一对多的链接方式，在一对多的模式中，多个蓝牙结点共享传输通 道。两个或多个（最多 8 个）链接的结点构成微微网（piconet）。在一个 piconet 中，所有的结点都是对等的，但在 piconet 网建立与持续期间， 其中一个设备被指定为主结点，其余设备被指定为从结点，而且调频 的顺序由主结点的地址和时钟频率决定。主结点通过轮询的方式查找 从结点，从结点只有在被主结点轮询到以后，才能占用通信信道，而且 从结点之间不能直接进行数据通信1314。机器人整体性能的提高要 求通信子系统在通信速度、通信质量等方面不断地予以改进和提高。 .3 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口 本文采用基于蓝牙技术的高性能无线通讯模块 ptr8000 和 dsp 构 成无线通讯子系统。ptr8000 的硬件接口由 10 个数字输入/输出 i/o 组成，模式控制接口由 trx_ce、tx_en、pwr 组成，控制 ptr8000 的四种工作模式。 表 31：ptr8000 四种工作模式 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 19 pwrtrx_cetx_en 工作模式 0xx 掉电模式 10x 待机模式 110 接收 111 发射 本系统采用 dsp 对 ptr8000 进行控制，硬件接口电路如图 38 所示： 图 38 ptr8000 与 dsp 硬件接口 .4 软件编程软件编程 由于与 rf 协议相关的高速信息处理部分已经嵌入在模块内部， ptr8000 可与各种低成本单片机或 dsp 等高速处理器配合使用； ptr8000 提供一个 spi 接口，速率由微控制器设定的接口速度决定。 在 rx 模式中，地址匹配（am）和数据准备就绪(dr)信号通知 dsp 一 个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微控制器即可通过 spi 读 取接收的数据。在 tx 模式中，ptr8000 自动产生前导码和 crc 校验 码，dr 信号通知 dsp 数据传输已经完成15。 1 配置编程 上电以后 dsp 首先配置 ptr8000 模块。先将 pwr,txen,trx_ce 设为配置模式，dsp 通知 spi 将配置数据移入 ptr8000 模块；在掉 电和待机模式工作后，配置内容仍然有效。配置数据只有当电源撤 除后才会丢失。 2 发射模式 当 dsp 有数据要发送时，通过 spi 接口，按时序把接收机的地址和 有效数据送传给 ptr8000，spi 接口的速率在通信协议和器件配置 时确定； 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 20 dsp 置高 trx_ce 和 tx_en 启动 nrf905 的发送； ptr8000 内部处理： a.无线系统自动上电； b.数据打包(加字头和 crc 校验码)； c.发送数据包； auto_retran 被置高，ptr8000 将不断重发，直到 trx_ce 被 置低； 当 trx_ce 被置低，ptr8000 发送过程完成，自动进入空闲模式。 图 39 ptr8000 发射时序图 3 接收模式 当 trx_ce 为高、tx_en 为低时，nrf905 进入 rx 模式； 650us 后，ptr8000 不断监测，等待接收数据； 当 ptr8000 检测到同一频段的载波时，载波检测（cd）被置高； 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配(am)被置高； 当一个正确的数据包接收完毕，ptr8000 自动移去字头、地址和 crc 校验位，然后把数据准备好引脚置高 dsp 把 trx_ce 置低，ptr8000 进入待机模式； dsp 通过 spi 口，以一定的速率把数据移到 dsp 内； 当所有的数据接收完毕，nrf905 把数据准备好引脚和地址匹配引 脚置低； 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 21 图 310 ptr8000 接收时序图 当正在接收一个数据包时，trx_ce 或 tx_en 引脚的状态发生 改变，nrf905 立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器 接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nrf905 正在接收数据包， 其可以决定是让 nrf905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模 式。 .5 通信协议设置通信协议设置 ptr8000 使用半双工模式。当信息量过大时,有可能发生通信死锁, 所以应考虑通信协议的设计。当机器人工作在基于视觉闭环自治的无 线控制系统（逐球机器人）模式时，命令控制字的具体通信格式如下： 其中, ( =1,2,3,4)为 工作模式；( =1,2,3,)，为 号机器人小车标 i a iii s ii 识；( =1,2,3,)，为 号机器人小车左轮速度；( =1,2,3,)，为 号 i l iii r ii 机器人小车右轮速度。 上位机一次性将机器人的控制命令打包发送。每个小车都能接收上 位机发送的每一条指令，然后进入相应中断程序并执行相关指令。 在当机器人工作在基于人的思维判断的反馈式无线控制系统（近地侦 察）模式时，除了主控制台给机器人发送指令，机器人也实时地给主控 制台发送 gps 信息，具体通信格式为： i a i s i l i r 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 22 i e i w i t 其中( =1,2,3,4,5)，为发送的经度信息；( =1,2,3,)，为发送的 i e ii w i 纬度信息；( =1,2,3,4,5)为高精度 pps 时钟输出。 i t i .6 通信传输距离的计算通信传输距离的计算 自由空间是无线通讯的理想传播条件。其数学模型为 （3-2）)(lg20)(lg2044.32)(mhzfkmddblfs 式中, 为传输损耗, 为传输距离, 为通信频率。系统中传输频 fs ldf 率为 433.92mhz,发射功率为+10dbm，接收灵敏度为-95dbm,计算出 =9.78km。这是理想状况下的传输距离,在实际的应用中低于该值,因d 为无线通讯要受到各种外界因素如大气、阻碍物的影响，将上述损耗 的参考值计入上式中,即可得出近似通信距离。 根据系统外界情况,取大气、阻挡等造成的损耗经验值为 18db16, 则近似通信距离： =1.23km，仍可满足机器人的传输距离要求。d 3.3 超声波子系超声波子系统统 .1 超声波测距原理超声波测距原理 超声波发射器发出频率为 40khz 的超声波信号。信号遇到固体或 液面等障碍物后反射回来，超声波接受器接收到反射回来的信号后， 根据接收波与发射波的时间差，算出离障碍物的距离，距离计算的公 式为： （3-3）vts 2 1 其中 为所测得的距离； 是超声波在气温为的速度，其试验值sv c0 为 331.45； 为超声波从发射到接收到第一个回波的时间。 sm/ t .2 系统硬件接口系统硬件接口 因超声波在大气中的传播速度与温度有关，如时每秒为c0 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 23 331.36 米，20 摄氏度时每秒为 343.38 米。测距测温控制器应对随环境 温度变化的频率信号进行实时采样，系统将外界温度变化的数值进行 内部运算，并校正各种环境温度下测距的误差值17。本文选用了 cj-1 超声波测距板。该开发板选用 efr-40rs16c 收发一体探头，测距范围 0.25-5 米，精度，同时具有三位 led 显示障碍物的距离。1 本文利用 dsp 高速 ad 转换接口和 cj-1 超声波测距板构建超声 波硬件子系统。cj-1 系统将实时采样到的与障碍物的距离信息以电压 形式传输给 dsp 的 ad 接口，dsp 高速处理超声波数据，通过避障算 法计算出左右轮速，通过运动控制子系统来调整运动方向的速度大小， 以达到初步自主避障。系统的基本结构如图 311 所示： cj-1 发送和接 收电路 结果显示 电路 超声波 dsp ad 滤波 电路 图 311 cj-1 与 dsp 硬件接口 .3 数据处理数据处理 信号的处理和控制主要是通过 dsp 实现。dsp 将采集到与障碍物 距离对应的电压信号后，通过 dsp 进行 a/d 转换，将模拟量转换为数 字量。然后进行硬件和软件的滤波处理。 （1）硬件滤波：采用外接 r、c 电路的形式完成，结构图如下 输入输出 （2）软件滤波：我们采用加权平均的方法对采集到的数字信号进行 处理。 首先建立如下数组： 1 x 2 x 3 x n x now x 为原先采集到的数字信号，为当前采集到的数字信).1(nixi now x 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 24 号。 下一时刻采集到信号将取代上一次的位置，放弃得值， now x now x 1 x 取代的位置，取代的位置，取代的位置。程序设计 2 x 1 x 3 x 2 x now x n x 如下： for(i=0;i/ 终止符回撤，换行 表 33：nmea 0183 语句格式 对于gps15l/h 和gps25lvs，串口2 还可以接收gps 的差分改正 信息，该信息在rtcm recommended standards fordifferential navstar gps service, version 2.2, rtcm special committee no. 104中有完整 的定义，请参见。 基于 dsp 无线通讯的多功能机器人“灵狐”的研究与实现 30 .5 gpggagpgga 语句解析语句解析 gps-oem板输出带有各种功能的数据语句有多种,如 $gpalm、$gpgga、$gpgsa、$gpgsv、$gprmc等，其中以 $gpgga定位数据语句最为常用。其结构如下： $gpgga,m,m,*hh utc 时间，hhmmss（时分秒）格式 纬度ddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 纬度半球n（北半球）或s（南半球） 经度dddmm。mmmm（度分）格式（前面的0 也将被传输） 经度半球e（东经）或w（西经） gps 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量（0012）（前面的0 也将被传输） hdop水平精度因子（0.599.9） 海拔高度（-9999.999999.9） 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定 位将为空） 差分站id 号00001023（(数据头被传送,若无差分gps则为空) 表34：global positioning system fix data（gga）gps 定位信息 3.6 语语音音识别识别子系子系统统 为使“灵狐”系统更为完善，我们为它添加了特定人的语音识别功能。 其基本识别功能为：语音识别“停” 、 “左转” 、 “右转” 、 “执行任务”、 “前进” 、 “后退”共6句话。 完整的语音识别系统可大致分为语音特征提取、声学模型建立、模 板匹配(识别算法)、语言模型与语言处理四个部分，其中语音特征参数 提取是模式识别的关键问题22。特征参数的好坏对于语音识别精度 有很大影响。 系统选用美国sensory公司开发的为消费类电子产品应用的低价位 语音识别专用嵌入式模块rsc364。 rsc364使用预先学习好的人工神 经网络进行非特定人语音识别，不需要经过训练就可以识别 “yes“、“no“、“ok“等简单语句，识别率为95%左右。此外，rsc364还可 以识别特定人、孤立词命令语句，约60条左右，识别率为97%左右。此 第九届“挑战杯”全国课外学术作品西北工业大学参赛作品 31 外，它还具有改进的adpcm（自适应差分脉冲调制）语音编解码功能， 用作语音回放23。 .1 系统硬件接口图系统硬件接口图 本系统采用dsp的io口和嵌入式模块rsc364构成语音识别子系统。 其硬件接口电路图如图417所示。iopa0作为rsc364的选择端， iopa1、iopb0、iopb1三个io口（初始状态111）用来显示识别到的语 音。rsc364在应用时，可以根据不同应用选择不同的存储结构。 图316 rsc364与dsp硬件接口电路图 dsp采用定时器2每个8ms中断一次，查询io口状态，当发现识别到 实现特定语音后，进行相应的处理。语音识别子系统与dsp具体的通信 协议见见表35。 识别的语 句 io 口状 态 表达含义 000 初始状态（停止） 停 001 停止 左转 010 机器人左转 90 度左右 右转 011 机器人右转 90 度左右 执行任务 100 机器人高速旋转 前进 101 以