（通信与信息系统专业论文）基于dsp和fpga的小型足球机器人控制系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 机器人足球融合机械设计、自动控制、无线通信、图像识别、人工智能等多项技术， 已成为机器人研究领域中的一个热点。机器人足球赛的结果反映了一个球队在各相关学 科的综合实力，机器人的性能是球队整体实力的基础。 足球机器人系统分为通信子系统，决策子系统，视觉子系统和机器人子系统四部分。 机器人子系统是整个系统的执行机构，其性能是比赛取胜的一个关键因素。本文通过研 究当今世界小型组足球机器人的发展趋势，设计了一套基于d s p 和f p g a 的小型足球 机器人控制系统，该系统具有响应时间短、控制精度高等特点。论文主要研究工作如下： ( 1 ) 阐述了研究机器人足球赛的意义，分析了国内外足球机器人的发展过程和现状。 通过对比赛规则的理解明确了足球机器人系统设计的目的和要求。 ( 2 ) 通过大量文献的阅读，从足球机器人车轮布局入手，研究了四个全方位轮蝶型 分布的足球机器人运动控制方法，并使用m a t l a b 仿真得出足球机器人行进时所具备 的最大速度和最大加速度，为机器人控制提供了理论基础。 ( 3 ) 论文重点阐述了足球机器人平台的硬件设计。硬件设计包括多路电机控制、无 线通信、击球电路、电源管理、数据存储等等。论文对核心器件的选择、f p g a 的硬件 设计等都进行了详尽的说明。 ( 4 ) 论文对d s p 中实现的p i d 控制、无线通信协议、a d 采集程序、系统初始化和 包含的i q 数学库等加以详细解释，并对程序内一些函数的功能和结构进行了描述，对 个别重点程序段给予详细的标注。 ( 5 ) 总结了制作过程中遇到的一些问题，并对系统未来升级进行了展望。 本论文的特点是在设计过程中仔细进行方案比较，采用高性能的d s p 处理器与 f p g a 相结合，增强了系统的处理能力。e p l c 3 完成数据采集，t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 与其采用 寻址方式通信，使机器人系统处理速度更快，控制更稳定。在实际测试和训练中发挥了 优异的性能。 关键词：足球机器人；全方位轮；i ) s p ；f p g a 大连理工大学硕士学位论文 t h er e s e a 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 nd s pa n df p g a a b s t r a c t r o b o ts o c c e rc o n t a i n sm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sm e c h a n i s md e s i g n i n g ，a u t o m a t i o n ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i m a g ei d e n t i f y , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n ds oo n i th a sa l r e a d y b e c o m eah o t s p o ti nt h er o b o tr e s e a r c h i n gf i e l d t h er e s u l to fr o b o ts o c c e rr e f l e c t st h e i n t e g r a t i v ea b i l i t yo fat e a mi na l lr e l a t i v es u b j e c t s as o c c e rr o b o ts y s t e mc a nb ed i v i d e di n t of o u rs u b s y s t e m s ，k n o w na sc o m m u n i c a t i o n s u b s y s t e m ，d e c i s i o ns u b s y s t e m ，v i s i o ns u b s y s t e m ，a n dr o b o ts u b s y s t e m r o b o ts u b s y s t e mi s t h ee x e c u t i v eo r g a n i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e m ，a n di t sp e r f o r m a n c ei st h ek e yf a c t o ro f v i c t o r y a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h ed e v e l o p m e n to fs m a l ls i z es o c c e rr o b o ti nt h ew o r l d ，t h i sp a p e r d e s i g n sac o n t r o ls y s t e mo fs m a l ls i z es o c c e rr o b o tb a s e do nd s pa n df p g a w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f f a s tr e s p o n s e h i g hp r e c i s i o na n ds oo n t h em a i nr e s e a r c h e so f t h e p a p e r a r c s h o w na sb e l o w ： ( 1 ) e x p a t i a t et h es i g n i f i c a n c eo ft h er o b o ts o c c e rm a t c h a n a l y z et h ec o u r s ea n d a c t u a l i t yo f t h es o c c e rr o b o ta th o m ea n da b r o a d ( 2 ) i n v e s t i g a t et h ec o n t r o lm e t h o do fs o c c e rr o b o tw i t hf o u ro m n i d i r e c t i o n a lw h e e l s d i s t r i b u t i n gl i k eb u t t e r f l y u s em a t l a bt os i m u l a t et h er o b o tm o v i n g a n dg e tt h em a x i m u m s p e e da n d a c c e l e r a t i o nw h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nt ot h er o b o tc o n t r 0 1 ( 3 ) t h ep a p e rm o s t l ye x p a t i a t e st h eh a r d w a r ed e s i g no fs o c c e rr o b o tp l a t f o r m t h e h a r d w a r ec o n t a i n sm u l t i m o t o rc 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 ，b a l l - k i c k i n gc i r c u i t ，p o w e r m a n a g e m e n t ，d a t as t o r a g e ，e t c t h ep a p e rg i v e st h ed e t a i l e de x p l a n a t i o n st os e l e c t i o no ft h e c o r ec o m p o n e n t s f p g ah a r d w a r ed e s i g n sa n ds oo n ( 4 ) g i v et h ee x p l a n a t i o n so fp i dc 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 np r o t o c o l ，a d s a m p l i n gp r o g r a m ，s y s t e mi n i t i a l i z a t i o n ，t h ei n c l u d e di q - m a t hl i b r a r y ，e t c d e s c r i b et h e f u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ef u n c t i o n si nt h ep r o g r a m ，a n dg i v et h ea n n o t a t e st os o m e i m p o r t a n tp r o g r a m s ( 5 ) c o n c l u d e t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e dd u r i n gt h ec o u r s e ，a n dd i s c u s st h ep o t e n t i a l so f t h es y s t e m 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i co ft h i sp a p e ri st h a ti tc o m p a r e st h es c h e m e sc a r e f u l l yd u r i n gt h e d e s i g n ，t h ec o m b i n a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ed s pp r o c e s s o ra n df p g ae n h a n c e st h ep r o c e s s c a p a b i i i t yo f t h es y s t e m e p l c 3c o l l e c t st i l ed a t a ，a n dt m s 3 2 0 f 2 8 1 2c o m m u n i c a t e sw i t hi t 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 b ya d d r e s s i n gm o d e ，w h i c hm a k e st h er o b o ts y s t e m sp r o c e s sf a s t e ra n dc o n t r o ls t e a d i e r t h e s y s t e mh a sa ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei na c t u a lt e s ta n dt r a i n i n g k e yw o r d s ：s o c c e rr o b o t ；o m n i d i r e c t i o n a lw h e e l ：d s p ；f p g a 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 巷策 旦丛年上月同 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 本章首先介绍了机器人的发展史，简单比较了世界上足球机器人的相关赛事。其次 对国外近年来r o b o c u p 小型组比赛水平与结果进行了分析。最后介绍了本课题的一些特 点和本论文的所完成的工作。 1 1 机器人发展史 机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一项新技术，然而追述其发展过程却 是源远流长的。 1 9 2 1 年捷克作家卡罗凯佩克( k a r e lc a p e k ) 在其科幻小说罗素姆的万能劳工中第 一次使用了“r o b o t ”的术语，从那时起r o b o t 的术语就被沿用下来，中文译成“机器 人”。 1 9 5 0 年美国作家唉萨克阿西莫夫在科幻小说中给出了著名的“机器人学三定 律”，即： 第一定律：机器人不得伤害人类个体，或者目睹人类个体将遭受危险而袖手不管； 第二定律：机器人必须服从人给予它的命令，当该命令与第一定律冲突时例外； 第三定律：机器人在不违反第一、第二定律的情况下要尽可能保护自己的生存。 这三条定律至今尚为人们所沿用，他也因此获得了“机器人学之父”的桂冠。 1 9 6 1 年美国通用机械公司生产和销售了的第一台工业机器人，取名为“尤尼梅 特”。上世纪8 0 年代，计算机技术的发展推动了机器人技术的发展，并达到了新的水 平。国民经济的个个领域都采用了机器人，上到宇宙飞船，下至海洋开发都采用机器人 作业。“机器人技术已经成为高技术应用领域中的重要组成部分，它正向具有行走能力、 对环境的自主性强、具有多种感觉能力的方向发展”i l l 。 1 2 机器人足球赛背景和意义 训练机器人进行足球比赛的设想首先是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授a l a n m a c k w o r t h 在1 9 9 2 年的论文0 ns e e i n gr o b o t s ) ) 中提出的：“通过机器人足球比赛， 为人工智能和智能机器人学科的发展提供一个具有标志性和挑战性的课题”1 2 1 。 机器人足球的最终目标是到2 l 世纪中叶用机器人足球队打败人类足球冠军队。在 当前技术条件下提出的这个目标虽然是梦想，但意义却非常重大。 过去5 0 年中，人工智能研究的主要问题是“单主体静态可预测环境中的问题求 解”，其标准问题是国际象棋人一机对抗赛；未来5 0 年中，人工智能的主要问题是“多 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 主体动态不可预测环境中的问题求解”，其标准问题是足球机器人的机一机对抗赛和人 机对抗赛。 在这个意义下，将足球机器人作为未来人工智能和机器人学的标准问题，是十分恰 当和明智的，而这一研究意义之深远重大，也是不言而喻、顺理成章的。 1 3 机器人足球赛分类 基于上述背景，现在世界上已经发展出r o b o c u p 和f i r a 两种主要的世界机器人 足球赛。两种比赛既有一些相同点又有各自的特色。 f i r a 是国际机器人足球联合会的缩写。f i r a 的起源与发展和韩国科学( 技术) 院 ( k a i s t ) 密不可分的。f i r a 每年举办一次机器人足球世界杯赛( f i r ar o b o t - - s o c c e r w o r l dc u p ) ，简称f 1 r ar w c 。 f i r a 的比赛项目主要有： n a r o s o t 一超微机器人足球赛 s - m i r o s o t 一单微机器人足球赛 m i r o s o t 一微型机器人足球赛 r o b o s o t 一小型机器人足球赛 k h e p e r a s o t - 自主式机器人足球赛 h u r o s o t 一拟人式机器人足球赛 s i m u r o s o t 一仿真机器人足球赛 r o b o c u p 的原意为r o b o t w o r l d c u p 。1 9 9 7 年正式成立，总部设在日本东京， 在瑞士伯尔尼正式注册。r o b o c u p 自1 9 9 7 年起每年举办一次机器人足球世界杯赛( t h e r o b o tw o r l dc u p ) 。 r o b o c u p 的比赛项目主要有： s i m u l a t i o nl e a g u e ( 电脑仿真比赛) s m a l l s i z el e a g u e ( f - 1 8 0 ) ( 小型足球机器人赛) m i d d l e s i z el e a g u e ( f 2 0 0 0 ) ( 中型自主足球机器人赛) s o n yl e g g e dr o b o tl e a g u e ( s o n y 有腿机器人足球赛) r o b o c u p 小型组机器人足球比赛与f i r a 微型机器人足球比赛的主要区别有： ( 1 ) 比赛场地尺寸不同； ( 2 ) 机器人尺寸规定不同： ( 3 ) 比赛视觉部分可以是集中式视觉，也可以是分布式视觉； ( 4 ) 策略系统可以由上位机运行，也可以由下位机( 机器人) 运行。 大连理工大学硕士学位论文 其他比赛规则基本相同。但( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 三点使得r o b o c u p 研究人员的发挥余 地更大，研究内容更广，可以实现真正的分布式多智能体系统。 1 4r o b o c u p 小型组比赛规则及水平 本课题以参加r o b o c u p 小型组比赛为背景进行机器人的设计，因此下面以2 0 0 6 年 世界r o b o c u p 比赛为例，介绍一下f - 1 8 0 ( d , 型组) 比赛的场地和规则。比赛场地为4 9 0 0 m m x 3 4 0 0m m 的矩形区域，尺寸包括边界线。比赛场地表面是绿色的毡垫或地毯，地毯 下面的表面要求水平，平整，坚固【3 】。 “比赛场地用线条标记，线条属于边界地区。两条长边称作接触边界( t o u c h b o u n d a r y ) ，两条短边称作目标边界( g o a lb o u n d a r y ) 。所有线条均为白色，宽度为1 0 m m 。 比赛场地由一条中线分为两块，中心标记在中线的中点，以此点为圆心有直径为1 0 0 0 m m 圆周线。罚球标记位于每个防守区内距球场中点4 5 0 r n m ，距两门柱等距的直径为1 0 m m 的白色圆点” 3 1 。 “球门一定要摆放在目标边界的中间，由三块高1 5 0 m m 的墙组成。球门面向场地 的部分分别涂以蓝色和黄色，顶部和边缘涂以白色。球的标准为橙色高尔夫球，质量大 约4 6 9 ，直径大概4 3 m m ”【3 】0 图1 1 为r o b o c u p 小型组比赛场地平面示意图p l 。图1 2 为比赛实际环境1 4 1 。 图1 1 小型组比赛场地示意图 f i g 1 1s k e t c hm a po f s m a l l - s i z el e a g u e sp l a yf i e l d 一场比赛由两只球队参加，每只球队的机器人数不得超过五个，其中一个为守门员。 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 要求给每一个机器人编号，这样便于裁判员在比赛中辨认。守门员要求在比赛前指定。 每方上场机器人数至少一个，不然比赛不能开始。 机器人底盘直径不能超过1 8 0 m m 。如果球队使用全局的视觉系统，那么此队中机 器人的高度不得超过1 5 0 m m 。无论如何，机器人的高度不得超过2 2 5 n u n 。 如果比赛双方和裁判不反对，比赛持续两个1 0 分钟( 1 5 分钟) 。任何改变比赛周 期的决定( 例如由于有限的时间安排而减少半场时间为7 分钟) 必须在比赛开始前依照 比赛规则作出，一旦开球比赛周期将被覆盖。 图1 2 小型组比赛真实环境 f i g 1 2r e a le n t i r o n m e n to f s m a l l - s i z el e a g u e 比赛中还定义了任意球、角球、点球、越位等详细的规则 。 r o b o c u p 自从1 9 9 7 年日本名古屋举办了世界第一届比赛后，每年举办一次，到2 0 0 5 4 大连理工大学硕士学位论文 年已经分别在世界各地举办了9 届比赛，美国、德国、澳大利亚、日本等国实力很强。 但美国( c o r n e l l ) 、德国( f u b e r l i n ) 和澳大利亚( q u e e n s l a n d ) 实力超群，其中c o m e l l 的b i gr e d 是1 9 9 9 、2 0 0 0 、2 0 0 2 ，2 0 0 3 年的世界冠军，f u b e r l i n 的f u f i g h t e r s 是2 0 0 4 、 2 0 0 5 年的世界冠军，澳大利亚昆士兰大学的r o b o r o o s 也是无冕之王。中国的中国科技 大学、清华大学、上海大学等参加过世界比赛，与世界先进水平差距较大。 2 0 0 0 年以前参赛队普遍采用两轮足球机器人，其结构简单，速度控制方便，但轨迹 规划较复杂，参赛队重点研究球和机器人行进轨迹以及避障方法。2 0 0 0 年，b i gr e d 已 经采取三个全方位轮驱动，凭借着三个全方位轮提供的完整性约束，b i gr e d 取得了该 年的冠军。此后，多数球队都采用了这种具有3 个全方轮的车体设计，小型组比赛因此 被提高到一个新的水平【5 j 。 2 0 0 1 年两支来自新加坡的球队仍然采用传统的两轮平行独立驱动方式，但凭借着对 机器人的精确控制取得了比赛的冠亚军。在这届r o b o c u p 比赛的官方总结中，认为参 加决赛的两支球队对共轴平行的两轮独立驱动的机器人的运动控制达到了最完美的程 度。而c o m e l l 则把他们的失败归结为机器人的加速度较小，运动不够灵活1 5 1 。 由于2 0 0 1 年比赛中的失利，c o m e l l 在2 0 0 2 年的设计中，将b i g r e d 设计成具备四 个全方位轮的机器人，它们运动更加灵活，加速度更大，在比赛中占据了很大优势。此 时各队开始着重于策略的研究。f u f i g h t e r 却凭借着小巧的体积，强有力的射门，精准 的运动控制最终跻身决赛，但负于b i g r e d l 5 j 。 2 0 0 3 年的意大利世界杯，b i gr e d 再次蝉联冠军，r o b o r o o s 获得亚军，c m d m g o n 和f uf i g h t e r s 并列第三。比赛中，不少球队开始使用四轮全方位轮驱动的机器人。来 自中国的清华大学和中国科技大学首次参加了小型组比裂5 1 。 2 0 0 4 年的葡萄牙公开赛，此时b i gr e d 完成了基于w i n d o w sc e 操作系统和p c i 0 4 控制系统的转变，采用了底层决策，计算机把摄像头采集到的场上信息经过简单处理后 发给机器人，这种模式向分布式多智能体方向迈进了一步。由于这种创新设计不够健壮， 在比赛中遇到了很多麻烦。决赛是在f uf i g h t e r s 和r o b o r o o s 之间进行的，f u - f i i g h t e r 在比赛中多次成功运用挑球，占据了比赛的主动，最终获胜。 2 0 0 5 年在大阪的决赛依然是f u和 两只顶级球队的碰撞，_ f i g h t e r sb i gr e d f uf i g h t e r s 最终战胜了老对手夺得了世界冠军。 1 5 课题的意义和特点 机器人足球比赛在中国推广较晚，虽然在短短的几年内，国内高校在软件仿真比赛 中达到了很高的水平，但开发r o b o c u p 小型组足球机器人技术复杂、成本较高，国内 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 参加小型组比赛的高校很少，诸多原因导致国内小型组水平与国际相比普遍较低。基于 这种情况，本课题以r o b o c u p 小型组比赛为背景，设计一个符合比赛要求的足球机器 人控制系统。在平台的实际搭建过程中，可以将所学的模拟电子、数字电路、通信原理 等多门专业知识融入此课题，实现理论与实践的结合；同时也可以将我校在软件仿真比 赛中使用的良好算法和获得的比赛经验移植n 4 , 型足球机器人平台中，使软硬件在足球 机器人中得到良好的结合。 本课题主要设计一套响应速度快、可靠性高的小型足球机器人底层控制系统，为小 型足球机器人比赛提供一个实验平台。本文研究的重点是足球机器人底层控制系统的软 硬件实现，需要进行系统方案设计，硬件电路的搭建和调试，软件程序的编写和调试等 工作。 与现有的足球机器人系统相比，本文的足球机器人控制系统具备如下一些特点： ( 1 ) 采用最高性能的d s p 运动控制处理芯片为处理核心，与a r m 芯片相比，电路 设计更简单，实时性更强；与其他系列d s p 处理器相比，速度更快，片内资源更丰富； 是普通单片机所无法匹敌的。 ( 2 ) 采用f p g a 对电机速度、机器人加速度进行硬件检测，采集时间更短，布线更 简捷，不占用d s p 资源。采用外部信息统一寻址方式是本论文的一个创新点，该方法 使得d s p 对外部信息的读取更简捷、更方便。 ( 3 ) 多种电机保护方式，充分发挥电机的最大性能，有效避免电机在工作工程中损 坏。 ( 4 ) 使用开关电源芯片进行系统供电，比传统电源效率更高。 ( 5 ) 电机采用p i d 控制方式，控制稳定、可靠。 ( 6 ) 模块化程序设计，便于阅读、修改和移植。 ( 7 ) 调用了t i 公司i q 数学库，使程序对浮点数操作更快捷，并使程序中的小数有 统一的精度。 ( 8 ) 软件上设计了自检功能，可以通过软件检测系统硬件是否工作正常。 1 6 论文完成的工作 本文围绕足球机器人硬件系统设计进行，工作主要通过如下几步骤完成： ( 1 ) 大量阅读国内外与r o b o c u p 小型足球机器人硬件设计和运动控制等相关文献； ( 2 ) 进行足球机器人运动分析，提出了理论上足球机器人最大速度和加速度，并迸 行m a t l a b 软件仿真和测试结果分析： ( 3 ) 利用5 片m s p 4 3 0 制作实验模型，如图1 3 左图所示，测试理论公式的正确性； 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 选择硬件系统实现方案，确定d s p 作为系统处理器，利用d s p 开发板编写电 机控制程序，验证系统的可行性； ( 5 ) 推翻单独采用d s p 实现电机闭环控制的方案，选择f p g a 硬件测速方案进行测 速模块设计； ( 6 ) 设计d s p 外围电路原理图和f p g a 外围电路，制作p c b 板，并进行电路测试； ( 7 ) 编写软件代码，调试电机控制电路； ( 8 ) 调试无线通信模块，制作基于d s p 和f p g a 的足球机器人，如图1 3 右图所示； ( 9 ) 制作击球升压电路进行击球力度测试； ( 1 0 ) 重新制作p c b ，压缩电路板尺寸，完成机器人全部硬件设计： ( 1 1 ) 软件优化，烧写f l a s h 。 图1 3 基于m s p 4 3 0 的足球机器人模型( 左) 和基于d s p 和f p g a 足球机器人( 右) f i g 1 3s o c c e rr o b o tb a s e do nm s p 4 3 0 ( 1 e f t ) a n ds o c c e rr o b o tb a s e do nd s pa n df p g a ( r i g h t ) 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 2 机器人结构论证和运动分析 2 1 移动机器人分类 移动机器人是一种具有一定智能、可在一定范围内移动并能完成规定任务的机器 人，与普通机器人的主要区别是移动机器人可以在较大范围内活动。根据活动范围和工 作环境的不同，可分为陆地移动机器人、水下机器人和空中移动机器人；根据移动机构 的不同可分为轮式、履带式和腿式等类型移动机器人；根据执行任务的智能水平的高低， 又分为自主式、半自主式和遥控式移动机器人1 6 】。 2 2 轮式机器人分类 轮式移动机构具有结构简单、运动速度快、能量利用率高等特点，在目前机器人移 动机构中效率最高。由于r o b o c u p 小型组比赛规定的机器人体积较小，因此，与履带 式、腿式等移动方式的机器人相比，轮式机器人无疑是最佳的选择。轮式机构按驱动轮 的数量分为二轮机构、三轮机构、四轮机构、六轮以及多轮机构。二轮机构的构造非常 简单，两轮平行分布，轴线重合。三轮机构的特点是机构组成容易，旋转中心是在连接 两驱动轮的直线上，可以实现零回转半径。四轮机构的运动特性与三轮机构相同，由于 增加了一个支撑轮，运动更加稳定。一般的六轮机构主要是为了提高移动机器人的地面 适应能力而在其结构上做了改进，增加了摇臂结构吼 2 2 1 两轮机器人 两轮机器人是指具备两个驱动轮的机器人，早期的r o b o c u p 小型组比赛采用的多 是两轮结构，驱动轮对称分部在机器人左右两侧。通常状况下，机器人的前后会有一或 两个辅助的支撑轮，支撑轮可以是同心轮或偏心轮等等( 6 】。两轮机器人结构如图2 1 所 示。 图2 1 两轮机器人结构图 f i g 2 1 s t r u c t u r e so f t w o - w h e e lr o b o t s 大连理工大学硕士学位论文 两轮驱动的机器人属于非完整性约束系统，机器人的运动轨迹是由圆弧和圆弧的切 线组成的，这增加了软件控制中路径规划的难度。 2 2 2 三轮机器人 为将机器人工作系统变为完整性约束系统，人们发明了“全方位轮”，亦称“万向 轮”。全方位轮是一种即可以绕中心轴转动，又可以沿轴线滑动的车轮。既母轮四周分 布着可沿垂直主轴方向转动的子轮。全方位车轮可以依靠子轮沿轴线滚动动来降低摩擦 力，从而提高机器人效率。全方位轮如图2 2 1 7 i 。有关全方位轮原理，文献6 州中有详细 介绍。由全方位轮组成的移动机构，可以实现万向移动，并且运动灵活，效率高，承载 能力强。目前全方位车轮已经成为人们研究的热点，并被各球队普遍采用。 图2 2 双排全方位轮( 左) 和单排全方位轮( 右) f i g 2 2d u a lo m n i d i r e c t i o n a lw h e e l ( 1 e f t ) a n ds i n g l eo m n i d i r e c t i o n a lw h e e l ( r i g h t ) 由于电机不能提供沿车轮轴向方向的力 自转三个自由度，可以利用全方位轮的特点 完成各种运动。 为使机器人在水平面内具有前后、左右、 依靠合理放置电机，使其合力驱动机器人 图2 3 三轮机器人结构图 f i g 2 3s t r u c t u r e so f t h r e e - w h e e l e dr o b o t s 图2 2 显示了三轮机器人车轮分布的两种情况。第一种情况三轮轴线夹角均为1 2 0 度，这样的结构的机器人正前方速度大小与斜后方速度大小相同。第二种情况为第一种 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 情况的进化，前方两轮轴线夹角大于1 2 0 度，该结构比第一种情况增加了向前的速度， 也给前方增加了足够的空间用来安装带球装置，但侧向驱动能力减小。 2 2 3 四轮机器人 2 0 0 2 年，c o r n e l l 大学的b i gr e d 机器人球队采用了四轮驱动机器人。这种结构的 机器人比三轮结构的机器人具有更大的驱动力，因此，在近年来的比赛中逐渐被各个球 队所接受，图2 4 为四轮机器人车轮分布情况。 图2 。4 四轮机器人结构图 f i g 2 4s t r u c t u r e so f f o u r - w h e e l e dr o b o t s 第一种情况四轮轴线夹角均为9 0 度，这样的结构我们称之为四轮正交蝶型分布， 机器人沿纵向和横向的速度具有对称性；第二种情况我们称之为四轮普通蝶型分布，与 第一种情况相比，这种结构增大了前方两轮轴线夹角，增加了向前的驱动力，同样也在 机器人前部留出足够的空间用来安装带球装置。 2 3 机器人运动分析 具备全方位轮的机器人与传统两轮机器人的结构有本质区别，运动方式也大不相 同，因此需要对安装全方位轮的机器人进行建模和运动分析，从理论上解释全方位轮运 动方式和运动特点。 2 3 1 相关假设 在进行机器人模型建立和对其进行运动分析之前，需要做如下假设： ( 】) 假设机器人和全方位轮均为刚体，地面平整 1 0 l ； ( 2 ) 轮子的厚度忽略不计，子轮和母轮只发生纯滚动i ( 3 ) 机器人底盘重心在电机轴线交点上； ( 4 ) 四个全方位轮的中心在同一圆周上，圆心与机器人质心重合。 o 一 大连理工大学硕士学位论文 2 3 2 坐标系的建立 通过分析文献1 1 - 1 7 1 的机器人坐标系建立方法和机器人运动分析方法，在同一平面内 建立世界坐标系和机器人坐标系，图2 5 为四轮机器人的主视图。坐标系* d r y ，是机 y 1 v i 卜 i1o 。：7 一，。一一一 o i x 图2 5 运动分析图 f i g 2 5k i n e m a t i cd i a g r a m 器人坐标系，坐标系x o y 代表了世界坐标系。机器人全方位轮的半径为r ，全方位轮中 心与机器人中心距离为r 。轮子与机器人坐标系船夹角分别为o i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 。定义每个 轮子角速度矢量为w 。( 1 1 ，2 ，3 ，4 ) ，轮子中心的线速度为v j 卢1 ，2 ，3 ，4 ) 。机器人坐标系x r o r y ； 与世界坐标系x o y 的夹角为0 。机器人的平移线速度和自转角速度分别被定义为v = v x 叫7 和c o 。其中 i 为机器人在世界坐标系内速度模值。机器人在机器人坐标系下的三自由度速度矢 量v = v xb 】1 。 q d d + 十 | 刍 咖 一p p 一一 = b ，、l 基于d s p 和f l e a 的小型足球机器人控制系统的研究 2 3 3 运动方程设计 在机器人坐标系墨o ，y r 下，机器人各全方位轮线速度标量v ，与机器人平移线速度v 和机器人自转角速度具有式2 2 的关系： v i 吃 屹 v 4 式2 2 可以被缩写为v = b v ，由式2 2 可得： v i f v xs i n o f + v y c o s o r + 匕i f bi ( 2 2 ) r c o j = 一v c o s ( + 口) s i n o , + v s f 玎( 矽+ 口) c o s o i + r c o ( 2 3 ) = v s i n ( + 口一0 3 + r c o 由式2 3 可以看出，每个全方位轮母轮的转速为仅与机器人速度模；、速度方向、 两坐标系夹角目、以及机器人自转角速度c o 有关。而谚为图2 5 中第i 个全方位轮轴线 图2 6 特殊情况时四轮速度曲线 f i g 2 6t h es p e e dc u r v e so f f o u rw h e e l sa ts p e c i a lt i m e 鼠易夙防 s s s s o o o o c c c c 夙谚破良 n n n nj：l s s s s 一 一 一 一 ，。，l = 大连理工大学硕士学位论文 与卫轴夹角，为常量。又因为车轮的速度v = r x ( o i ，其中，为全方位轮半径，q 为第i 个电机旋转的角速度，所以有： 纰= v r s i n ( # + o - o i ) + r ( o r ( 2 4 ) 当不考虑机器人自转( r c o r = 0 ) ，并且世界坐标系与机器人坐标系重合时( 0 = 0 ) ， 式2 4 变成q = 订r s i n ( b 一6 ：) 。此时四轮转速为机器人整体速度方向的正弦曲线， 如图2 6 所示。当世界坐标系与机器人坐标系有夹角时，车轮的角速度的取值横向平移； 当考虑自转时，各轮的角速度会整体纵向平移。 机器人的合加速度与机器人四个电机的驱动力有关，设每个电机驱动力为 瓜f - 1 ，2 ，3 ，4 ) ，驱动力的大小用，( f - l ，2 ，3 ，4 ) 表示。机器人平动加速度为： 1 口。玄( e + e + 只+ 只) ( 2 5 ) 转动加速度为： ：冬( z + 五+ 六十五)( 2 6 ) 因为涉及到转动，因此引入转动惯量概念。设转动惯量为，。它描述的是刚体的在 转动中表现出来的相对于过质心的转动轴的质量分布。机器人在墨d ，耳平面内的加速度 联合矩阵方程为： 一s i n q s i n 0 2 一s i n 岛一s i n 0 4 c o s 0 1 帜 i c o s 良 坦 j c o s 0 3 侬 i c o s 只 侬 i 石 五 六 五 ( 2 7 ) 计算一个特定刚体的转动惯量，必须考虑它的几何形状和密度分布。质量分布均匀 的圆柱体的转动惯量，= 0 5 * m r 2 ，圆环的转动惯量为，= m r 2 ，对于不同的物体转动 惯量不尽相同，但转动惯量均可以表示为，= a m r 2 ，其中0 口1 。所以式2 7 可以转 换为： 一m 一一 1，j q q l 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 s i n o l s i n 0 2 s i n 0 3 c o s 8 l a r c o s 良 l a r c o s 幺 l a r s i n 0 4h 郅 ( 2 8 ) 为了便于控制以及分析，一般使岛= u ，0 2 = 疗一，岛= 7 r + ，只= 2 x 一，( 其 中、， *一 鞘薹啦；豢；。 一一u 驯 d 匕二 r l _ j f “一 $ 1 。 q 大连理工大学硕士学位论文 一系列的逻辑门之后，在c n te n 信号变化后的第一次c l k 脉冲到来时，产生与c l k 脉冲同频率的脉冲信号l a t c h 与a c l r 。当c n te n 为低电平时，产生l a t c h 信号 输出脉冲，控制7 4 3 7 3 将当前速度锁存到数据总线上。当c n te n 为高电平时，a c l r 输出脉冲，计数器同步清零。将图3 8 所示的电机测速逻辑封装为o n e _ s p e e d _ m o d 模块， 该模块完成了电机速度检测的基本功能。 图3 9 子模块仿真时序图 f i g 3 9s i m u l a t i o nt i m i n go f s u b m o d u l e 图3 9 是o n es p e e dm o d 模块仿真时序图，c n te n 为c l k 信号频率的l 2 1 。应 调整c n te n 的频率以保证该频率小于电机最大转速时编码器产生信号的频率。 多个o n es p e e dm o d 并联后，通过f p g a 内部的7 4 1 3 8 控制各子模块使能，选择当 前总线上的数据。为了精确测量，再配置计数器进行编码器脉冲数的测量，这样可以通 过查询，得到当前电机转过角度。图3 1 0 为四路电机测速的实现方法，通过仿真，证明 该设计逻辑正确，将其封装成名为a l l 的模块，方便程序系统整体调用。 以上的逻辑设计，完成了对多路电机的转速、转向、转角的检测，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 若以寻址方式读取各电机状态，还需对f p g a 口线进行配置。在本系统中，系统将分为 d s p 板和f p g a 控制板两块主p c b 电路板进行制作。为了减轻d s p 板的布线复杂程度， 充分利用f p g a 口线可自由配置的优势，将d s p 需要外接的r a m 设计在f p g a 控制板 上，这样可以利用f p g a 内部布线，完成d s p 与外部存储单元的连接，并把d s p 产生 的p w m 信号送给l 2 9 8 。在进行f p g a 顶层电路设计时，应考虑f p g a 口线类型。由 于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 需要对r a m 完成读写操作，对速度检测模块完成读操作，因此f p g a 与d s p 、r a m 之间的数据接口，设计为双向i o 口。 3 5 无线通信部分设计 r o b o c u p 比赛机器人如果采用整体视觉，可以使用无线通讯或网络连接电脑，但禁 止使用蓝牙通讯技术。为了避免冲突，一只队伍应该在比赛前准备两个频率信号。无线 通讯的类型应符合该竞赛举办国家的法律标准口1 。 基于d s p 和f p g a 的小型足球机器人控制系统的研究 足球机器人与计算机之间的通讯是由无线模块完成的。由于采用整体视觉系统，无 线系统必须保证计算机和机器人完成稳定、可靠的通信，起到机器人耳朵的作用。 - 一= 蚓 雒：赫岩茸# ! 型： 焉 - 磐竺l “芒5 。w 爿器：揣：? 矗1 一 j 端：一壁 剥：p 川霉鹾。 弛：茹日 尉= 端瞎攀 捌嚣。簇踹警盛￥ 。一 大连理工大学硕士学位论文 优缺点：体积小巧，天线制作方便，工作稳定，价格高。 ( 2 ) 第三代发射接收一体化组件：b i m 3