（机械电子工程专业论文）基于fpga的小型足球机器人的控制系统研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 足球机器人比赛是一个高实时性、高动态特性的环境，在比赛中足球机器人必须具备 高度的机动性和灵活性。凶此，一个良好的控制系统是对于足球机器人来说非常重要的， 足球机器人要能实现快速前进、后退、转角、停车等基本动作，要具备控球、射门、挑球 等基本技能，都离不开精确的控制系统。本课题主要研究小型足球机器人的控制系统，使 足球机器人在比赛巾完成各种动作和实现对运动的控制。主要研究内容如下： ( 1 ) 底层系统的电路设计。底层电路和基于f p g a 的s 0 p c 系统共同构成整个控制系 统的硬件电路。底层电路系统包括通信子系统、击球子系统、红外测球系统、电机驱动和 电源模块等，重点对通信子系统、击球子系统进行了设计。通信子系统主要包括无线通信 芯片的特性，以及无线发射器和接收器的电路设计；击球子系统包括击球系统的控制方案， 高压升压电路的设计和电磁铁驱动电路的设计。 ( 2 ) 基于f p g a 的s o p c 系统设计。主要包括f p g a 外围电路、功能模块电路、s o p c 外设的设计，重点对功能模块电路和s o p c 外设进行了设计。功能模块包括测速系统电路 和击球逻辑电路，对测速系统的方法选择、滤波电路、测速电路以及击球逻辑电路的工作 原理进行了详细的分析与设计。s o p c 外设重点在于p w m 设计和无线通信芯片p t r 4 0 0 0 接口电路的设计，详细分析了工作原理和程序设计。 ( 3 ) 控制系统的软件设计。主要包括功能模块的f p g a 程序、无线通信、运动控制以 及驱动程序等。f p g a 程序重点是p w m 的程序设计。无线通信主要设计了配置程序，无 线发射程和无线接收程序。运动控制主要包括控制算法的设计，参数选择以及程序的编写。 主控程序主要包括系统主控器的主程序，初始化程序和中断服务程序。 ( 4 ) 系统调试与测试。主要包括对各个电路模块的调试情况和对系统基本功能的测试 情况。系统调试的对象主要包括f p g a 最小系统、测速模块，p w m 模块以及升压模块和 电机驱动等。系统测试在软硬件实验平台对足球机器人的功能进行测试，包括无线通信、 红外测球，平射、挑射、控球等基本动作，以及前进、后退、旋转、停车等运动性能，重 点对机器人的调速性能进行了测试。 关键字：控制系统；f p g a ；足球机器人；运动控制；无线通信 浙江理工大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fs m a l ls i z es o c c e rr o b o tc o n t r o ls y s t e m b a s e do nf p g a a b s t r a c t t h es o c c e rr o b o tc o m p e t i t i o ni st h ee n v i r o n m e n to fh i g h 诧a l - t i m ea n dh i g hd y n a m i c 1 1 1 e s o c c e rr o b o tm u s tp o s s e s st h ec h a r 蜀i c t e r i s t i co fg o o dm o b i i i 够a n df l e x b i i i 够i nt h eg a m e t h e r e f o r e ，o w n i n gag o o dm o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o rs o c c e rr o b o ti sv e 哆i m p o r t a n t t l h es o c c e r r o b o ti si n s e p a r a b l ef b mt 1 1 ea c c u r a t em o t i o nc o n t r o lt or e a l i z ef - a s tf o n a r d ，b a c k w a r d ，c o m e r p a r k i n ga n do t h e r b a s i ca c t i o n sa n dt oh a v ep o i n t i n g ，s h o o t i n g ，p i c k i n gb a l la n do t h e rb a s i cs k i l l s t h et o p i co ft h i st h e s i si sd o i n gr e s e a r c ho fs m a l ls i z es o c c e rr o b o tm o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，弱t 0 c o n t m l t h em o v e m e n to ft h er o b o t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e 邪f o o w s ： ( 1 ) c i r c u j td e s i g no ft h eu n d e r j y i n gs y s t e m b o t l o mc j r c u i ta n dt h es o p cs y s t e mb a s e do n f p g at o g e t h e rb u i l du pt h eh a r d w a r ec i r c u i to fw h o l ec o n t r o ls y s t e m t h em a i np a r t so fb o t t o m i n c l u d e sc i r c u i t s y s t e mc o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m ，k c k i n gs u b s y s t e m ，i n f l r a r e dm e a s u r i n g s y s t e m ，m o t o rd r i v i n ga n dp o w e rs u p p l ym o d u i e ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m ，h i t t i n g s u b s y s t e mi se m p h a t i c a l i yi n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i pa n d r a d i ot r a n s c e i v e r s c i r c u i td e s i g ni si n t r o d u c e di nt h ec o m m u n i c a t i o ns u b s y s t e m t h ek i c k i n g s u b s y s t e mi n v o l v e st h et h ec o n 仃d is c h e m eo ft h eb a l lh i n i n g ，h i g hv o l t a g eb o o sc i r c u i td e s i g n i n g a n de l e c t r o m a g n e t sd r v ec i r c u i td e s i g n i n g ( 2 ) t h es o p cs y s t e mb a s e do nf p g a i nt h i sp a r t ，t h ef p g ao u l c r - r i n gc i r c u i t ，凡n c t i o n m o d u l ec i r c u i t ，t h es o p c p e r p h e r a ld e s i g ni si n c l u d e d t h ef u n c t i o nm o d u l ec o n s i s t so fv e l o c i 妙 m e a s u r e m e n ts y s t e ma n dk i c k i n gi o g i cc i r c u i t w h a t sm o r e ，t h e r ei sad e t a i l e d a n a l y s i sa n d d e s i g nf o rt h ep r i n c i p l eo fk i c k i n gi o g i cc i r c u i t ，t h ef i l t e rc i r c u i ta n dt h es c h e m eo ft h es p e e d m e a s u r e m e n ts y s t e m 1 1 1 es o p cp e r i p h e r a l sm a i n l yi n t r o d u c e sp w m d e s i g n i n ga n di n t e r f a c e c i f c u i t sd e s i g nf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t ；。nc h i p - - p t r 4 0 0 0 ，a n da l s oad e t a i l e da n a l y s i so n t h er u n n i n gp r i n c i p l ea n ds o 肌a r ed e s i g n i n gi st a k e no n ( 3 ) s o f h v a 陀d e s i g nf o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a r t ，t h em a i nc o n t e n ti sf p g a p r o c e d u r e s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m o t i o nc o n t r o ia n dd r i v e rp r o c e d u r e s ，e t c t h ef p g a p r o c e d u r e sf o c u s o nt h ep w mp r o g r a m m i n g a n dt h e c o n f i g u r a t i o np r o g r a m ，w i r e l e s s t r a n s m i t t i n g a n dw i r e l e s s r e c e i v i n gp r o c e d u r e s a r e m a i n l yd e s i g n e d ；nt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h ec o n n o la l g o r i t d e s i g n ，p a r a m e t e rs e l e c “o na n dp r o g r 锄lc o d ei sf o c u s e d i i 0 ni nt i l em o t i c o n 们ls o r w a r ed e s 和m a s t e rc o n t r o lp r o g r a m c o n s i s t so ft i l em a i nc o n t r o l l e r p r o g r a m ，t h ei n i t i a l i z a t i 伽p r o c e d u r e s 觚dj n t e r r u p ts e n ，i c er o u t i n e s ( 4 ) s y s t e md e b u g g i n ga n dt e s t i n g f o re a c hc i r c u i tm o d u l e ，t h e r ei sa d e b u g g i n ga n ds y s t e m f u n c t i o nt e s t i n g ，粕da t h ep r o b i e m s 扑dp n o c e 潞e n c o u n t e r e di n s y s t e mt e s t j n g 、v e r ee x p l a i n e d a n da n a l ) ，z e d f f g as m a l l e s ts y s t e m ，s p e e dm o d u l e ，p w m ，m o t o rd r i v ea r ea l ic o v e r e di n 她 d e b u g 酉n go 协e c t s ；t e s to b j e c t si n c i u d e st h ep e r f o r m a n c eo fb a s i cf u n c t i o n ss u c ha sw i r e l e s s c o m m 呻i c a t i o n ，k i c k i n gf o o t b a l l ，b a l lp o s s e s s i o n ，m e a s u r i n gt l l eb a i l ，a n da l s ot h em o v e m e n t f u n c t i o ns u c ha sf b n v a r d ，b a c k w a r d ，r o l l i n g ，p a r k i n g ，e t c k e y w o r d s c o n t r o ls y s t e m ；f p g a ；s o c c e rr o b o t ； m o t i o nc o n t r o l ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n u i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 近年来，以高技术对抗为主要特征的足球机器人比赛在国际上迅速开展起来，它看似 游戏，其实是体育与高科技结合的产物【i 】。集科技性与娱乐性于一身的足球机器人越来越 受到人们的关注。 1 9 9 2 年加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授a l 踟km a c k w o r t h 首先在其论文中提出机 器人进行足球比赛的设想f 2 l ，研究目标是经过五十年左右的发展，机器人足球队町以战胜 人类的顶级足球队。这篇论文提出的想法立刻引起世界各国科学家的关注，许多学者和研 究机构表现出了浓厚的兴趣，并开始进行研究，从而使足球机器人比赛获得长足的发展1 3 l 。 1 9 9 7 年，机器人足球在l j c a i 9 7 ( 即第1 5 届同际人工智能联合大会) 会议上通过了 被列为人工智能的一项挑战的决议，这项决议标志着机器人足球开始成为机器人学和人工 智能的新标准课题。 r o b o c u p 是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛， 1 9 9 7 年正式成立，总 部设立在瑞士，现有成员国4 0 多个。目前，r o b o c u p 是目前国际上级别最高、规模最大、 影响最广泛、参与人数最多的国际性机器人赛事i 舢。从1 9 9 7 年在日本名古屋举办了第一届 正式比赛算起，至今r o b o c u p 已经举办过很多届的比赛了。2 0 0 8 年7 月，中国苏州主办 了第十二届r o b o c u p 竞赛，共有3 5 个国家和地区的3 7 3 只队伍参赛。比赛设仿真2 d 组、 仿真3 d 组、微软仿真组、足球机器人小型组、中型组、标准平台组( 包括s o n y 有腿组和 n a o 机器人组) 、青少年组、类人型机器人展示、营救仿真组、营救机器人组、类人型机器 人组以及家庭组1 5 j 。 小型组足球机器人的比赛现场环境如图1 1 所示。场地大小6 1 0 0 m m 宰4 7 0 0 m m ，上面 铺有绿色地毯，并有中线、中圈，门区，点球点等标志。橙色高尔夫球充当足球，直径4 3 m m ， 重4 6 9 。小型机器人是比赛的球员，大小限制在能放入直径1 8 0 m m 的圆柱体内【6 。基本的 比赛规则包括：以蓝色或黄色作为队标，每支队伍可派5 名机器人队员上场，其中包括1 名守门员。比赛过程分为上半场和下半场，半场时间为1 5 分钟，中场休息不超过5 分钟， 暂停总共可达1 0 分钟，次数不超过4 次。规定时间如果出现平局，需要进行加时赛。比 赛期间，不允许参赛的人员直接接触机器人和计算机主机【7 1 。 浙江理工大学硕二仁学位论文 图1 1r o b o c u p 足球机器人小型组比赛 研究智能足球机器人具有重要的意义，对于人工智能、自动化控制技术、传感技术、 无线通信、材料学的发展等有很人的促进作用，提供了一个综合的研究平台。足球机器人 的研究意义主要包括以下j 个方面。 ( 1 ) 成为未来人工智能的标准问题 以前人i ：钭能研究的标准问题是国际象棋人机对抗赛，以后的人t 智能的丰要问题是 机机对抗赛和人机对抗赛【引。主要区别在于同际象棋比赛的环境是静态的，行动效果和环 境是u r 预测的，只涉及到一个队员；而足球机器人处于一个动态的环境，行动效果是不u ， 预测的，且需要各个队员的密切合作才能取得胜利。因此，足球机器人成为未来人工智能 的标准问题。 ( 2 ) 促使理论研究向应r j 技术的转化 人j i ：智能的主要研究方向就是多主体系统，r o b o c u p 智能足球机器人为多主体系统的 研究提供了一个合适的应用平台，使得档关技术存一个统一的高层次上进行衔接、应用和 创新，促使这一比赛活动的迅速发展，从而实现了基础理论研究向应用技术的转化9 1 。 ( 3 ) 培养了青年学生对科学和技术的兴趣 足球比赛是全世界最受欢迎、普及度最高的运动项日之，机器人研究借助这个j r 台 必然赢得青年学生的兴趣，从而培养了学生对科技的兴趣。激发了学生的学习兴趣和参与 7 浙江理工大学硕士学位论文 激情，对于学生将来成长为科技人才有着很好的引导作用。 1 2 国内外研究现状 r o b o c u p 通过提供一个标准人物，促进智能机器人的研究，包括理论、算法、智能体 的结构、应用等方面。世界上许多科研机构把它列为科研项目，促进了智能机器人的发展。 1 2 1 机器人足球的研究现状 机器人足球比赛作为世界上影响力最大的机器人赛事，吸引了世界各国的研究机构参 与，推动了机器人足球的向前发展。目前国际上开展足球机器人研究历史最久是的韩国和 美国，且在项目研究中处于领先地位，特别是针对机器人足球实物比赛，他们已经对部分 硬件设备实现了量产l i o l 。由于足球机器人研究在国内开展的较晚，在硬件部分和国外相比 还存在还有较大的差距，但在相应研究的软件方面己经获得了长足的进步，部分领域己经 达到了国际先进水平。r o b o c u p 比赛主要的强队是美国的b i gr e d 、r o b o d r a g o n ，澳大利 亚的r o b o r o o s ，以及德国的f u f i g h t e r s 等队伍。标准平台组的四足机器人则是日本s o n y 公司独占鳌头i l 。 在国内，开展足球机器人研究起步比较晚，已经有许多的中国高校参与足球机器人赛 事。就研究实力来比较，在机器人实物的硬件控制部分与国外相比还存在还有较大的差距， 目前这种差距正在逐渐缩小，有些队伍已经进入了小型组的前几名。同时在软件仿真方面 却有着非常大的进步和发展，在仿真组比赛中已经达到了国际先进水平【1 2 1 。 1 2 2 小型组机器人足球的研究现状 1 9 9 7 年在日本举办了第一届r o b o c u p 国际比赛，到现在机器人足球竞赛已经经过了 1 3 年的发展，有力的促进了智能机器人的研究，其参赛国家和队伍进一步扩人，技术水平 不断提高。 在1 9 9 7 年进行的第一届国际比赛中，小型组冠军的获得者是美国c a m e g i em e l i o n 大 学的c m u n i t e d 队。这支对于取胜的关键技术在于采用了全局视觉系统，在图像处理方面 有着非常稳定和先进算法，最终取得了全胜的战绩。这次比赛在技术上的特别之处还在于， 日本的n a i s t 队使用了局部视觉【b 1 ，是第一支使用局部视觉的队伍。 1 9 9 8 年的第二届国际比赛中，c m u n i t e d 队再次取得r o b o c u p 小型组的冠军。关键技 术特点在于对小球的预测方面具有非常先进的算法。这次比赛中，主要的技术看点是参赛 浙江理工大学硕士学位论文 大部分球队都采用了全局视觉【。 在1 9 9 9 年小型组机器人比赛中，美国c o m e l i 大学的b i g r e d 队成为新的冠军，此后 连续5 届国际比赛都蝉联小型组的冠军，而德国f r e j e 大学的f u - f i 曲l e r s 对连续5 次冲入 决赛，均败给了b i g r e d 队f 1 5 1 。 2 0 0 0 年在澳大科亚悉尼举办的第四届比赛，b i gr e d 队再次获得冠军，f u f i g h t e f s 再 次在决赛中饮恨。总共有1 6 支参赛队伍，出现了三支使用局部视觉的球队，并且战胜了 使用全局视觉的球队，这是第一次出现。这次比赛中最大的技术特点是出现了具有完整性 约束的万向轮驱动的三轮机器人【m 。此后，采用万向轮驱动成为了小型组机器人的主流趋 势。另外，b i gr e d 在比赛中使用高速转动的圆柱滚筒作为控球装置，此后大部分的球队 均采用这种控球装置。 2 0 0 1 年第五届足球机器人比赛，新加坡的两只球队l u c k y s t a r 2 和f i e l c l r a n 寥r s 在小 型组机器人足球比赛中淘汰了众多强队，成功进入决赛。最终，南洋理工的l u c k y s t a r 2 获得冠军。这两只球队的主要技术特点是使用了共轴平行的两轮独立驱动，取胜的关键在 于对运动控制非常精确i l7 j 。官方总结报告认为这种驱动方式使得运动控制非常完美。 2 0 0 2 年足球机器人比赛中，b i gr e d 队采用了四轮万向轮驱动，比赛中机器人的加速 度明和运动的灵活性得到很大的提高，以绝对的优势夺得冠军。f u f i 曲t e r s 队获得亚军， 其技术特点是去掉了控球机构，依靠大力度的击球和运动控制及其策略取得良好的比赛成 绩【1 引。 2 0 0 3 年的比赛中，b i gr e d 队又获得冠军，很多的球队的机器人采用四轮万向轮驱动， 并且有中国的球队参加。清华大学和中国科学技术大学的两只队伍第一次参加了国际比 赛，随后几年中国参赛的队伍越来越多。 比较这几年的比赛状况，可以看出小型组机器人向四轮机器人发展，且全局视觉使用 更广泛。目前小型组机器人j 下在向更高的技术发展，趋势表现在使用更快的处理器，试图 在材料技术上创新，人工智能和感知正在进一步发展【1 9 1 。足球机器人逐渐向自主的方向发 展。 1 3 论文的研究内容 本文主要研究小型足球机器人的控制系统，具体内容包括硬件系统的设计，软件程序 的设计，以及系统的调试测试等。控制系统的硬件设计和软件程序设计是论文的重点，其 中硬件系统分两章来论述，包括底层电路设计和上层基于f p g a 的s o p c 系统的设计。 4 浙江理工大学硕士学位论文 底层电路系统主要包括通信子系统、击球子系统、红外测球系统、电机驱动和电源模 块等；基于f p g a 的s o p c 系统设计主要包括f p g a 外围电路、测速电路和击球逻辑电路 等功能模块、运动控制器、p w m 设计和其他接口电路设计等；软件程序主要包括功能模 块的f p g a 程序、无线通信、运动控制以及驱动控制等软件程序的设计。 系统调试与测试，主要介绍对各个电路模块的调试情况和系统功能的测试结果，并对 具体的i 贝4 试方案进行了分析和说咀。 1 4 论文的组织结构 论文共分七章，其组织结构说明如下： 第一章绪论，介绍课题的背景和研究意义、国内外研究现状，提出课题的研究内容 和组织结构。鼍 第二章：控制系统盼总体设计，分析了足球机器人的运动模型和控制流程，对并作出 需求分析，在此基础上提出了整个系统的设计方案。 第三章：底层系统的电路设计，详细介绍了底层各个模块电路的设计，主要包括通信 子系统、击球子系统、红外测球系统、电机驱动和电源模块的设计。 第四章：基于f p g a 的s o p c 系统设计，首先介绍了f p g a 基本电路的设计，然后重 点介绍了f p g a 功能模块的设计，详细介绍了基于软核n 1 0 si i 的s o p c 系统的设计。 第五章：控制系统的软件设计，本章首先介绍了控制系统的软件开发环境，重点介绍 了运动控制系统的软件设计，主要包括f p g a 程序、无线通信、运动控制和主控程序。 第六章：系统调试与测试，详细介绍了各电路模块的调试和系统功能的调试，并对在 系统测试时遇到的问题以及解决的过程进行了说明。 第七章：总结与展望，对论文的研究成果和关键技术进行了总结，并对后续的研究工 作进行了展望。 浙江理上大学硕士学位论文 第二章控制系统的总体设计 在r o b o c u p 小型组足球机器人比赛中，小型机器人要实现快速前进、后退、转角、停 车等基本动作，要具备控球、射门、挑球等基本技能，足球机器人的控制系统是实现这些 功能的关键。本章主要介绍控制系统的总体设计，在对其进行运动学分析的基础上，论述 其控制流程，对其进行需求分析，提出合理的设计方案。 足球机器人的运动模型 足球机器人的驱动轮有四个，采用万向轮，可避免普通轮子不能侧滑带来的非完整性 约束，机器人的速度分解为：轴向的的可控速度和径向的不可控速度。为了便于对机器人 运动进行模型分析，根据实际应用作以下假设【2 0 】： a ) 足球机器人是在个平坦的表面上运动，地面的不规则情况可以忽略； ”足球机器人的轮子与地面间点对点的滚动摩擦可以使轮子滚动； c ) 足球机器人是刚体，可以不必考虑形变因素； 下面开始对速度进行分解分析，足球机器人有四个轮子，每个轮子的切向速度是可控 的；机器人的几何中心在二维平面上运动。切向速度可标记为【w 1w 2w 3w 4 】t ，其中w l 、 w 2 、w 3 、w 4 是四个轮子的标记，l 和4 号轮子在前，2 和3 号在后；机器人几何中心 的运动用三维速度矢量描述，标记为【v 。v yv 。】t 。 ( 1 ) 平动状态 矿 舅 v q _ 对 二 机器人是作为刚体来假设的，速度可以看成是平动和 转动的集合，任意一点具有相同的平动速度和角速度【2 1 1 。 如图所示，以w i 为例( 即轮1 ) ，设合速度为v ，在绝对坐 标系a 下v 在x ，y 轴上的分速度为v x 、v y 。轮子的速度 可分解为切向速度v q 和法向速度v f ，其中v x 上，v q 图2 1 运动分析 上v f 。 y = k + 巧= _ + 对于各个轮了有： ，= 匕c o s 仿一识) + c o s ( 仍一万2 ) 2 圪c o s 仍+ 0s i n 仍 6 则有 2 - ( 1 ) 浙江理工大学硕士学位论文 = ( c 。s 仍s i n 仍窆 2 - ( 2 ， 对于各个轮子圪相对于绝对坐标的角度不同，引入旋转矩阵【2 2 1 m ( 嚣：箩) 2 秭 其中矽是机器人相对坐标相对于绝对坐标的角度，足各个轮子的速度，得到如f 公式： 叱尺= ( c o s + 谚s n 劬+ 嗄乏) 2 - ( 4 ( 2 ) 转动状态 ： 足球机器人的轮轴切线与质心和轮子的连线不垂直，速度公式如下： 圪= 圪三c o s o 一伊) 2 ( 5 ) ( 3 ) 平动和转动综合 由于四个轮子都满足以上公式2 ( 4 ) 和公式2 ( 5 ) ，将平动和转动综合，得到足球机器 人的运动模犁： k 圪 巧 圪 c o s 慨+ 口) c o s 2 + 口) c o s ( 伤+ 功 c o s 帆+ 秒) s i n 纸+ 秒) s i n 慨+ 秒) s i n 纸+ 口) s i n 纸+ 口) c o s 如l c o s 2 c o s ( 仍 c o s 纸 = j c 臼，e 宕 多 矽，7 2 - c 6 ， 其巾g 夕矽厂对应( 圪咖) r ， k 对应着单个轮子的速度【2 3 1 。 本节通过对机器人进行运动学分析，从而建立其运动模型，建立控制量和状态量的关 系方程，为运动控制器的设计提供了理论基础。 足球机器人的控制流程 r o b o c u p 小型足球机器人系统如图2 2 所示，主要由场上的机器人小车、固定在支架 上的摄像机和场外的计算机组成，分别构成机器人的本体子系统、视觉子系统和决策子系 统【2 4 】。系统的工作过程：位于正上方的两个摄像机实时采集场上的图像，并把图像信息传 给视觉处理主机。视觉主机处理完成后把图像数据发送给决策主机，决策主机根据图像信 息计算小车各个驱动轮的速度和方向，把这些信息和动作指令通过无线通信发射器发送给 场上的机器人小车。小车接收刭指令后，按照约定的协议执行相应的命令，小车开始运动， 7 0 、矿00卜 r、，、il 九以儿以 浙江理工大学硕士学位论文 并执行相应动作【2 5 1 。同时摄像机又把执行的结果反馈给视觉主机，构成闭环回路，系统进 入下一个循环。 图2 2 r o b o c u p 小型足球机器人系统 足球机器人系统是采用集中控制的方法，场外的决策主机控制所有的场上足球机器 人。控制流程如图2 2 所示。决策主机根据视觉系统发送过来的图像信息，判断场， ：机器 人的运动状态，并根据决策算法计算出足球机器人的运动速度和方向，给出动作指令，然 后通过无线发射模块发射给场上的机器人。而在赛场上移动的智能小型机器人在接收到这 图2 3 小型足球机器人控制流程 些速度和方向的指令后执行踢球，挑球，控球等动作，并通过p l d 调节器对小车各个轮子 进行速度闭环控制。控制流程如图2 2 所示。 其中，p i d 驱动控制对整个运动控制系统非常重要，其控制效果直接影响着系统的性 能。它的对象是四个全方位驱动轮，主控器接收无线发送过来的数据，对电机速度进行采 样，根据算法生成p w m 信号，从而控制驱动电机的速度，流程图如图2 4 所示。 8 浙江理工大学硕士学位论文 给定 2 3 控制系统的需求分析 图2 4 驱动轮一d 控制流程 足球机器人比赛是一个高实时性高动态特性的环境，又是由多个智能体组成的，要求 控制系统有优异的控制性能。从机器人在比赛中必须具备的基本功能出发，分析运动控制 系统的任务和需求。一机器人需要具备踢球，控球，测球等基本技能，需要具备快速运动的 能力，具体分析如下： ( 1 ) 踢球功能是足球机器人最基本的技能，踢球即是射门和传球，包括平射和挑射两 种方式。j f 射主要用来射门和传球，挑射主要用来传球。实际比赛中，队员之间的距离是 不确定的，传球和射门的距离都是变化的，因此要求踢球力度可以根据需要进行设定，即 要求踢球力度具有可控性。 ( 2 ) 测球、控球也是足球机器人基本技能。控球功能使得机器人可以选择合适的实际 进行传球和射门的动作。控球机构是控球电机带动橡皮筋摩擦棒转动，使球能够动态的被 吸住。控球速度要求可调，根据实际情况进行调整。测球功能是为踢球服务的，当检测到 小球被控制住才进行踢球动作，这样避免了误踢和空踢的现象，也节省了电量。 ( 3 ) 运动性能是最重要的性能，良好的运动性能是取得比赛成功的关键。运动性能包 括前进，后退，转动，加速等，以及良好的调速性能。除了具备前进，后退，转动，加速 等功能外，调速的精确性、实时快速性是非常重要的性能指标。 ( 4 ) 无线通信也是运动控制系统必不可少的部分。场外决策计算机的指令足通过无线 通信发给场上机器人的，机器人整体运动控制均是按照所接收到的指令来进行的，囚此无 线通信功能也是运动控制系统重要的组成部分。无线通信的要求是通信顺畅，实时性好， 保证决策主机发送的指令能够被机器人准确的接收。 ( 5 ) 调试功能也是必须具有的功能。平射，挑射，控球，测球，运动( 前进，后退， 转动) 等功能的控制是由主控c p u 来完成的，但是这些功能的调试却比较困难。增加一些 方便调试的按钮，开关，l e d 指示灯等，对调试工作很有价值。 o 浙江理工大学硕士学位论文 2 4 控制系统的设计方案 第一、第二代小型足球机器人的控制系统的c p u 采用p l c 系列的单片枫，第三代以 后采用的是d s p 。目前，世界上大多数足球机器人参赛队伍的控制系统主要基于传统的 s o c 系统和分立器件构成的电路来实现的，主控器主要使用单片机或者d s 一2 甜。这些基于 s o c 的设计方案在整个电路的复杂度和测速系统的设计等方面有很多的缺点，在电路方 面，需要增加很多的芯片和分立元件，增大了体积，功耗较大，也不便于系统的硬件升级。 基于s o c 的控制电路通常是以m c u 或d s p 为控制芯片，配备各种外围芯片和元器 件构成控制系统。m c u 方案使用霍尔传感器采集速度脉冲信号，单片机对采集数据进行 运算处理 2 7 】，但是单片机内部的计数器通常只有两个，无法满足机器人的四路电机速度的 实时测量要求。d s p 方案是采用专门用于电机控制的d s p 和增量式编码器来实现测速功能 1 2 引。电机专用d s p 自带正交解码模块和芯片内部的计数器，可以简化测速系统硬件电路设 计1 2 9 1 。但是，d s p 芯片只包含两个事件管理器，每个事件管理器内包含一个q e p ，这样测 速系统需要增加两个专门的解码器：卷片。这种方案使得电路变复杂，而且硬件成本甜3 0 】， 不利于减小系统的体积和功耗。 本系统采用f p g a 作为控制芯片，以s o p c 的设计方法进行设计，嵌入n i o si i 处理 器，利用f p ( 淤的硬件可编程的特点设计各个功能模块。各个功能模块在f p g a 内部与足 球机器人的n l o si l 控制器进行连接，从而简化了系统的设计，减少了系统的体积，也方 便对硬件进行修改、仿真以及系统的升级【3 1 1 。本设计采用f p g a 芯片作为整个运动控制系 统的控制芯片，辅以底层的各种硬件电路，设计准确性好、响应速度快的控制算法，并在 软核处理器n 1 0 si l 中运行，实现对整个运动的控制。 l 厂 档盔l瑟缩 底层电路系基于f p g a 的 统 s o p c 系统 无击红电电 ， 功无 ，一 还接 线球外机源 勺 能线动 u 通系测驱模 o 电通控电 信统球动块 电 路信制 路 路 图2 5 控制系统的总体方案 l o 浙江理工大学硕士学位论文 根据上两节对运动过程和控制需求的分析，把控制系统的结构分为两部分：底层电路 系统、基于f p g a 的s o p c 系统。其中底层电路系统主要包括通信子系统、击球子系统、 红外测球系统、电机驱动和电源模块等；基于f p g a 的s o p c 系统设计包括f p g a 外围电 路、测速电路和击球逻辑电路等功能模块、运动控制器、p w m 设计和其他接口电路设计 等。 底层电路系统主要完成机器人本体子系统的基本功能。无线通信使得机器人具有与上 位决策系统通信的能力，可以接收上位机发来的指令，主控器根据这些指令对机器人进行 运动控制；击球子系统使机器人具有踢球、挑球以及带球的技能，是控制系统重要的组成 部分；红外测球使机器人具有近范围的视觉，为主控器发出各种控制指令提供必要的信息： 电机驱动模块用来驱动控制电机，使机器人有良好的运动性能；电源模块为整个系统提供 电源，满足各种芯片的供电需要。基于f p g a 的s o p c 系统构成运动控制系统的核心部分。 主要包括f p g a 的基本电路、无线通信接口、各种功能模块电路、运动控制以及其他的接 口电路。 2 5 本章小结 本章主要介绍控制系统的总体设计，首先对足球机器人进行进行运动学分析，介绍了 控制系统的控制流程，根据实际比赛的要求作出详细的需求分析，在与现有设计方案进行 比较的基础上，提出了基于f p g a 的控制系统的设计方案。控制系统的结构分为两部分： 底层电路系统、基于f p g a 的s o p c 系统。 浙 i ：理工大学硕士学位论文 第三章底层系统的电路设计 足球机器人的底层电路系统要完成电机驱动、带球、击球、挑球、无线通信、红外检 测等功能，与上层的f p g a 主控系统一起构成控制系统白g 硬件电路，是控制系统的重要组 成部分。本章主要介绍底层系统的各个模块电路的设计。 3 1 通信子系统 小型足球机器人的决策系统主机根据视觉系统反馈的赛场信息作出决策，然后把指令 发给场上的移动足球机器人来执行1 3 2 】，因此需要在决策主机和足球机器人之间建立起高 速、可靠的无线通信系统。 3 1 1 通信子系统的结构 通信子系统的作州是把决策主机的控常命令和运动参数发送给场上的足球机器人，为 了保证决策信息的有效性，通信要求有较高的实时性。小型足球机器人的通信是在赛场边 的决策丰机和场上的移动足球机器人之间的无线通信，由决策主机发射，场上的足球机器 人负责接收接收。根据这个通信过程，可以分析出通信子系统的结构，如图3 1 所示。 犀酾 i ；! j 一翠 限球机器1 i ! ；j 图3 1 无线通信系统的结构 通信子系统由两部分组成，包括与决策主机相连的无线发射器和足球机器人控制板上 的无线接收模块。 3 1 2 主要芯片选型 无线通信选m c u 芯片选用单片机a t 8 9 s 5 2 ，它是一种低功耗、高性能c m o s8 位微 控制器，具有8 k 在系统可编程f l a s h 存储器，片上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程， 亦适于常规编程器【3 3 1 。无线通信模块选用p t i h 0 0 0 ，完成无线收发的任务；单片机需要计 算机串口通信，选用芯片r s 2 3 2 收发器m a x 3 2 3 2 进行电平转换；单片机的工作电压5 v ， 其它的芯片工作在3 3 v ，选用电源稳压芯片芯片把5 v 电压转换成3 3 v ，选用a m s l l 7 3 3 。 浙江理工大学硕士学位论文 p t i m 0 0 0 模块采用n r f 2 4 0 i 芯片，该芯片是无线收发一体芯片，工作在2 4 g h z 自由 频段。n r f 2 4 0 1 支持多点间通信，最高传输速率超过l m b i 以；只需少量外围组件便可组成 射频收发电路；没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信， 而且价格比其它通信模块便型3 4 1 。因此，p t r 4 0 0 0 非常适合作为智能足球机器人的通信模 块。其主要特点如下： 采用全球开放的2 4 g h z 频段；有1 2 5 个频道，可满足多频及跳频需要； 所需外围元件少，只需一个晶振和一个电阻即可组成射频电路； 所有工作参数可通过软件设置，内置c r c 纠检错硬件电路和协议； 电源电压范围为1 9 3 6 v ，功耗低； 芯片内部设置有专门的稳压电路，使用各种电源均有很好的通信效果； 可通过软件设置地址，只有收到本机地址时才会输出数据，编程也很方便； p t r 4 0 0 0 的用户接口由9 个数字i o 口组成，可分为三组，下图给出了它的用户接口， 。 配置接u 通道l 通道2 模式p w r 逻辑c e 逻辑 c s 逻辑 工作模式 ll o 配雹模式 l ol ：待机模式 l o o 掉屯模式o x x ，0 图3 2p t r 4 0 0 0 用户接口图3 3p t r 4 0 模式选择 如图3 1 所示，三组接口分为配置接口，通道l 和通道2 。 ( 1 ) 编程配置接口：配置接口由c e 、c s 、p w r 三个管脚组成，p t l o o o 可被配置为 四种模式，管脚的配置值和模式选择对应的关系如表3 2 所示。 ( 2 ) 通道l 接口：通道l 接口包括c l k l 、d a l r a 、d r l 三线多功能接口，在不同模式 下功能不同【3 5 】：在配置模式下，d a l a 、c l k l 用来配置p t r 4 0 0 0 的工作参数；在发射模 式下，d a r a 、c l k l 用来发送数据；在接收模式下，通过d r l 输出中断指示，d a t a 、 c l k l 用来接收数据。 ( 3 ) 通道2 接口：通道2 接口c l k 2 、d o u t 2 、d r 2 为三线数据接口，在p t r 4 0 0 0 模 块中保留未使用。 浙江理工大学硕士学位论文 3 1 3 无线通信的电路设计 3 1 3 1 发射器的设计 发射器与决策主机相连，通过串口连接。主控芯片a t 8 9 s 5 2 通过s p i 接口与无线收发 芯片p t r 4 0 0 0 连接，i 0 口与配置接口连接；与串口之问连接了电平转换芯片m a x 3 2 3 2 ， 将m c u 的逻辑电平转换为r s 2 3 2 电平；l 幻口还应连接拨码开关，用来设置工作频率【3 6 】。 发射器的结构图如图3 3 所示： ：p c 机 警频歼扣 c e c s p w r a t 8 9 s 5 2 r 4 0 0 0 ：t x d斗 s p i r x d 图3 4 发射器结构图 根据这个设计方案，设计的电路原理图如图3 4 所示。上位p c 机通过串口给发射器发 送数据，丰控器a t 8 9 s 5 2 根据制定的通信协议对数据进行解码，把运动指令写入到 p t r 4 0 0 0 中，然后启动发送。p c 机与m c u 之间的波特率选择5 7 6 0 0b i 讹，m c u 与p t i o