集控式微型足球机器人二.ppt

2019/6/29,1,第九章 集控式微型足球机器人 （二）,徐心和 郝丽娜 丛德宏 东北大学人工智能与机器人研究所,2019/6/29,2,集 控 式 系 统 概 念 图,2019/6/29,3,2019/6/29,4,通信子系统,集控式足球机器人各子系统关系图,为了使上述子系统协调工作，还应该有一个总控子系统,2019/6/29,5,准备阶段,比赛阶段,2019/6/29,6,9.4 机器人小车子系统,7.57.57.5 cm3 机动性和灵活性 快速准确实现前进，后退，转角，停车等基本动作 旋转半径小 抗干扰性 抗撞性 左右轮单独驱动 前后支撑轮,足球机器人小车外形图,2019/6/29,7,轮轴半径R0,轮半径R,Fr,F,支撑轮,2019/6/29,8,9.4.1 机械结构及运动部分,铝合金整体框架，盒盖 三层结构 上层PCB板，模块，器件 中层可充电电池 底层电机，减速机，轮系 瑞士产的MINIMOTOR-2224微型直流电机(6v. 3-5w. 6000rpm) 2只 相对编码器128线，256线，512线 特点:体积小、重量轻、输出功率大、测速精度高等。,2019/6/29,9,9.4.2 小车伺服控制器,伺服控制器原理框图,2019/6/29,10,2019/6/29,11,NEW NEU-2型小车原理电路,2019/6/29,12,NEW NEU-2 小车印刷版图,2019/6/29,13,直流电机调速方式,调电压 发电机-电动机组 可控硅-电动机组 电枢回路串电阻 PWM调速 调励磁,PWM调速特点：简单，便于计算机实现，节能，调速范围大 非线性严重，引入高频干扰和损耗,2019/6/29,14,9.4.2.1 CPU控制单元80C196KC,9.4.2.2 电机驱动单元H桥电路,2019/6/29,15,L298原理线路图,2019/6/29,16,9.4.2.3 鉴向和速度检测单元,本系统采用82C53/82C54作为计数器，ST288A作为鉴向器，分别完成速度值与方向的测量，作为速度反馈值,2019/6/29,17,9.4.2.4 无线接收单元,无线通信装置提出的要求：频率可选，通信速率高，性能可靠，体积小等。机器人小车采用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM418F和BIM433F，载波频率分别为418MHz和433MHz，只接少许外围电路即可工作，使用起来非常方便。,9.4.3 车载电源的选择,电源的选取原则： （1）可充电电池使用方便，可重复使用； （2）容量大电流为500mA时，可连续运行40分钟； （3）体积小、重量轻降低小车整体的重量、易于布置。,车型足球机器人采用国产锂电池为电源，型号为063448， 额定电压为3.6V，容量为850MAH，2节串联(7.2V)。 锂电池保护板，型号为388 。8.4V停止充电，5V停止放电,2019/6/29,18,9.4.4 小车子系统软件设计,小车子系统软件可分为主程序和中断服务子程序两大部分。其中主程序可以使用运行速度较快的汇编语言；中断服务子程序包括串行通信中断、定时器中断以及速度控制器等子程序，这些程序则使用高效的C语言开发。,2019/6/29,19,初始化子程序流程框图,禁止8253计数,PWM初始化,禁止PWM输出 即停止小车运行,串行口初始化,清用户程序标志,设置PID参数,PID运算初始化,清相关变量,软件定时器0初始化,8254送初值,中断系统初始化,启动8254计数,开放CPU中断,2019/6/29,20,串行中断服务程序,2019/6/29,21,9.4.5 控制算法研究 9.4.5.1 被控对象特性,PWM输出放大环节和电机输入输出关系图,2019/6/29,22,9.4.5.2 控制算法,当把PWM值分成0-50，51-255两个区间时，它在这两个区间内分别呈现不同的近似线性关系。于是采用了分段PID控制的控制算法。 足球机器人速度控制系统采用增量式数字PID调节器，其数字调节器的输出是控制量的增量u(kT)。 设置控制量限U1和U2，当 0u(kT-T) U1 时， u(kT)=Kp1*e(kT)+ Ki1*e(kT)+ Kd1*e(kT)- e(kT-T) 当 U1u(kT-T) U2 时， u(kT)=Kp2*e(kT)+ Ki2*e(kT)+ Kd2*e(kT)- e(kT-T) 式中 e(kT)= e(kT)- e(kT-T) 为当前周期的误差变化量 e(kT-T)= e(kT-T)- e(kT-2T) 为上一周期的误差变化量 Kp，Ki，Kd，分别为比例，积分，微分参数,2019/6/29,23,9.4.5.3 控制算法的修正,上位机每33.3ms给机器人小车发送一次速度给定命令，小车的速度给定处于频繁的变化状态。为了消除设定值频繁变化冲击，这里采用消除设定值变化冲击PID控制算法。只对输出量y(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分，这种输出量微分控制适用于给定值频繁变化的场所，可以避免给定值频繁改变时所引起的超调量过大振荡。 所以上式可修改为 u(kT)=Kpi*e(kT)+ Kii*e(kT)+ Kdi*y(kT)- y(kT-T),2019/6/29,24,9.4.5.4 实验结果,机器人阶跃响应曲线,2019/6/29,25,9.5 机器人通信子系统,采用英国Radiometrix公司生产的无线收发模块（如右图）。 它的特点是体积小，通信速率高和性能可靠。 它的主要型号有BIM-418-F和BIM-433-F 载波频率分别为418MHz和433MHz。,无线收发模块,2019/6/29,26,9.5.1 无线数字通信系统,通信的分类方法很多，如果按传递信息所使用信道不同可分为有线通信和无线通信。无线通信是依靠电磁波在空间传播来传递信息的。如果按工作所用的频段不同，可分为 长波通信 （频率为3-30KHz） 中波通信 （频率为30-3000KHz） 短波通信 （频率为3-30MHz） 超短波通信（频率为30-300MHz） 特短波通信（频率为300-3000MHz） 极短波通信（频率为3000-30000MHz）等。 如果按基带信号（即调制之前的原信号）的形式不同，可分为模拟信号通信和数字信号通信。 信道中传送模拟信号的系统称为模拟通信系统； 信道中传送数字信号的系统称为数字通信系统。,2019/6/29,27,编码器：信源编码器（模拟数字，并行串行） 信道编码器（设置校验位检错、纠错） 调制器：基带信号加入高频载波，载波频率作为区分信号的主要标志 信道指通信发送端到接收端的通信通道，如电缆、光纤、高频无线信道等 解调器、解码器是接收端对调制的解调、对编码器的解码设备，以获得发送的基带信号。,2019/6/29,28,信号调制的几种类型,所谓调制就是载波（支载信息的工具）的某参数随基带信号规律而变化的一种过程。 通常把基带信号称为调制信号，调制后产生的信号称为已调制信号。 如果载波的幅度参数随基带信号规律而变化，我们称这一过程为幅度调制。(ASK-Amplitude Shift Keying ) 如果载波的频率随基带信号规律而变化，我们称它为频率调制。(FSK-Frequency Shift Keying ) 如果载波的相位随基带信号的规律而变化，我们称它为相位调制。(PSK-Phase Shift Keying ),2019/6/29,29,2019/6/29,30,9.5.2 Radiometrix-BIM模块性能与使用,Radiometrix公司生产的BIM-433-F和BIM-418-F模块特性如下： 微型PCB叠层结构； 业余无线电波波段； 可双向传送；单向传输速率可达到40Kbit/s； 室内有效范围为20m， 空旷处有效范围为100m； 可与CMOS逻辑和TTL逻辑兼容； 工作电压范围4.5V-5.5V， 工作电流小于15mA。,7,top view,4,RF GND 1,Antenna 2,RF GND 3,5,6,8,0 Volt 9,No pin,18 0 Volt,16 RX select,15 TX select,14 TXD,13 Audio,12 RXD,11 CD,10 0 Volt,17 Vcc,Radiometrix,无线收发模块引脚,2019/6/29,31,东大牛牛机器人的无线发射与接收,2019/6/29,32,由BIM-F构成的无线收发环节,发射状态发射允许端接为低电平（使能发射功能） 接收状态接收允许端接为低电平（使能接收功能）,2019/6/29,33,9.5.3 集控式通信系统的通信协议,足球机器人集控式通信系统采用报文通信协议。 报文包括报头, 正文和报尾。,协议1表,2019/6/29,34,假定左右轮速已算出，如表所示，试确定行校验位数值,2019/6/29,35,改进编码方式，引入了检错、纠错功能。 这种编码对于随机出现的单个错码都能给与有效的校正。,协议2 表,抗干扰性能要优于第一种，但占用了较多的单片机工作时间。,2019/6/29,36,假定左右轮速已算出，如表所示，试确定行列校验位数值,2019/6/29,37,答案应该是：,2019/6/29,38,关于通信协议的试验,为了检验系统的可靠性，进行以下测试系统误码率的试验： 使用BIM-418-F模块作为接发模块，发送如下指令500次 ，利用开发器观察小车正确接收的次数,通讯协议2,通讯协议1,注：接