（检测技术与自动化装置专业论文）小型组足球机器人的设计与实现.pdf

摘要 摘要 足球机器人涉及多个学科、领域，是一个典型的智能机器人系统，为研究发展多智 能体系统、多机器入之间的合作与对抗提供了生动的研究模型，是展示信息自动佬前沿 研究成果的窗口和促进产、学、研相结合的新途径。引起了越来越多的科研机构和高等 院校的关注，吸引了越来越多的科研人员和学者的参与。 底层系统是足球机器人系统的动作执行部分，它的性能直接影赡整个足球机器人系 统的性能。根据比赛中足球机器入的基本要求，论文首先设计了足球机器入的车体运动 机构、挑球机构、击球机构、带球机构，并作了相应的分析，得到了机器人的运动学模 型。其次，为了提高底层控制系统的性能，应用d s p a c e 实时仿真平台，辅助进行底层 运动控剃系统的算法开发，弓| 入了模糊p l 控刳算法。 论文系统的研究了足球机器人的软、硬件设计。首先，硬件设计方面，基于 d s p + c p l d ，引入一种全新的足球机器人底层系统的设计方案。以d s p 为核心，接收、 执行指令，为底层控制系统的决策者；c p l d 作为功能扩展，实现无刷直流电机驱动逻 辑和速度检测逻辑单元功能。详细介绍了机器入的微控制器、无届l 直流电机驱动、带球 电机驱动、踢球机构电磁铁驱动、球检测、加速度检测、陀螺仪检测电路以及通讯单元 等。其次，软件设计方面，设计了通信协议，简介了指令操作流程。对模糊p i 控制算 法进行简纯，在控制系统中予以实际应用。以流程图的形式，对d s p 部分程序结构进 行了描述，包括串口通信中断、a d c 中断、捕获中断等。并对系统中采用的抗干扰设计 进行了详细阐述。最后，结合实际测试中遇到的问题，做了总结和展望，指出了一些需 要改进和完善的功能。 关键词：足球祝器人，全方位轮式移动机器人，无弱l 直流电机( b l d c m ) ，模糊p l 控制， d s p ，c p l d ，d s p a c e a b s t r a c t a b s t r a c t r o b o ts o c c e r ，r e f e r r i n gt om u l t i d o m a i na n dm u l t i d i s c i p l i n a r y ，i sat y p i c a li n t e l l i g e n tr o b o t s y s t e m ，a n di sal i v e l yr e s e a r c hm o d e lf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec o o p e r a t i o na n d c o n f r o n t a t i o nb e t w e e nm u l t i a g e n ts y s t e ma n dm u l t i r o b o t s a n di ti saw i n d o wf o rd i s p l a y t h ef o r e f r o n to fa u t o m a t e di n f o r m a t i o n i tp r o v i d e saa p p r o a c hf o rc o a l e s c e n to fi n d u s t r y ， a c a d e m i aa n dr e s e a r c h s of a r , i th a sb e e nf o c u s e db ym a n yr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dc o l l e g e s ， m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sa n ds c h o l a r sp a ya t t e n t i o nt oi t u n d e r l y i n gs y s t e mi st h eo p e r a t i v ep a r to ft h er o b o ts o c c e rs y s t e m ，t h ep e r f o r m a n c e o f w h i t c hd i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r er o b o ts o c c e rs y s t e m t h ef r a m e w o r ko f r o b o ts o c c e rb o d ym o v e m e n ta n dk i c k d r i b b l eb a l la r ed e s i g n e da n da n a l y z e d 。t h e k i n e m a t i c sm o d e lo fr o b o ti se x p l a i n e d i no r d e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h e u n d e r l y i n gs y s t e m ，f u z z y p ic o n t r o lm e t h o di sa d o p t e d 1 1 1 es i m u l a t i o ni sd o n eb a s e d o n d s p a c e 髓eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h er o b o ta r es t u d i e di ns y s t e m a t i cs t y l ei nt h i sp a p e r f i r s t , t h eh a r d w a r ed e s i g ni si n t r o d u c e d an e w b l u ep r i n tf o rt h ed e s i g no fr o b o tu n d e r l y i n g s y s t e mi sp r o v i d e db a s e do nd s p & c p l d d s p i st h ec o r ea n dt h ep o l i c ym a k e lw h i t ht a k e s c h a r g et h er e c e i v i n gc o m m a n d a n di m p l e m e n t i n gt h ec o m m a n d 。c p l dh e l p sd s pt oc a r r y o u tt h ef u n c t i o no fb l d cm o t o rd r i v i n ga n ds p e e dd e t e c t i n g 。弧er o b o t sm i c r o c o n t r o l l e r ， b r u s h l e s sd cm o t o r - d r i v e n ，g o a l d r i v e nm o t o r ，e l e c t r o m a g n e t - d r i v e ni n s t i t u t i o n sp l a yb a l l t e s t i n g ，a c c e l e r a t i o nd e t e c t i o n ，d e t e c t i o n c i r c u i ta n dt h eg y r o s c o p eu n i t ，a n do t h e r c o m m u n i c a t i o n sa r ei n t r o d u c e d 。s e c o n d l y ，h o wt h e s o f t w a r ec a r r i e do u t ? as p e c i a l c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e d ，a n dt h ec o m m a n do p e r a t i o np r o c e s s i s b r i e f l y i n t r o d u c e d w eu s e dt h ef u z z y p ic o n t r o ls t r a t e g ys u c c e s s f u l l y a f t e rp r e d i g e s t i n gt h e a r i t h m e t i ci n0 1 1 1 r o b o ts y s t e m 。t h r o u g ht h ef l o wc h a r t s ，t h ea r c h i t e c t u r eo fd s pp r o g r a m sa r e i n t r o d u c e d 。i n c l u d i n gi n t e r r u p t i o n ，s u c ha su a 骶c o m m u n i c a t i o n , c a p t u r eo fv e l o c i t y , a n d a d c ，e t c a l s ot h ea n t i - j a m m i n gm e t h o d st h a tu s e di n t h es y s t e md e s i g na r ee x p o u n d e d f i n a l l y , c o m b i n i n gt h ep r a c t i c a lp r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h et e s t s ，as u m m a r ya n do u t l o o k h a sb e e nd o n e ，a n dt h en e e d st oi m p r o v ea n dc o n s u m m a t ea r ep o i n t e do u t 。 k e y w o r d s ：r o b o ts o c c e r , o m n i d i r e c t i o n a lw m r , b l d c m ，f u z z y p ic o n t r o l ，d s p , c p l d ， d s p a c e l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：趁互堡： 日 期：v 谚厂z 华 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：彩，批沙彦，厂严 导师签名：乙旯稠 日 期： 2 j 。? _ ，乒 第章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 足球机器人与机器人足球是近几年在国际上迅速开展起来的高技术对抗运动，机器 人足球是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学( u n i v e r s i t yo fb r i t i s hc o l u m b i ac a n a d a ) 教授a l a nm a c k w o r t h 在1 9 9 2 年的一次国际人工智能会议上首次提出的，他的目的是通 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 的课趔。足球机器人是一个极富挑战性的高技术密集型项目，融机械、机器人学、机 电一体化、微处理器、数据融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、 知识工程与专家系统、决策、轨迹规划、自组织与自学习理论、多智能体协调以及无线 通信等理论和技术于一体【2 3 1 ，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能 体系统、多机器人之间的合作与对抗提供了生动的研究模型。其通过提供一个标准任务， 使研究人员利用各种技术获得更好的解决方案，从而有效促进各个领域的发展。其理论 与技术可应用于工业生产、自动化流水线、救援、教育等实践领域，从而有效推动国家 科技、经济等方面的发展。机器人足球从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域的 基础研究和高技术发展水平。 概括地说，机器人足球是以体育竞赛为载体的前沿科研竞争和高科技对抗，是培 养信息自动化科技人才的重要手段，同时也是展示高科技进展的生动窗口和促进科技成 果实用化和产业化的新途径；机器人足球课程是素质教育、创新教育与前沿研究相结合 的一条可行途径。与传统的知识传授和技能培养为目标的课程不同，足球机器人及球队 的研制具有实践性强、探索性强和综合性强的特点，有利于迅速接触前沿研究，并促使 选课同学的创新能力和专业素质得到提高；机器人足球是人工智能和机器人学新的标准 问题，是连接基础研究与实际应用的中介和桥梁，是展示信息自动化前沿研究成果的窗 口和促进产、学、研相结合的新途径。 当前人工智能( a g e n t ) 基础研究与其应用背景之间的距离过大，导致注重实际背景 的工作就事论事，而注重基本问题的研究“纸上谈兵”。开展机器人足球研究是人工智 能从基础理论走向实际应用的一个战略性步骤1 4 】。引起了越来越多的科研机构和大专院 校的关注，也吸引了越来越多的科研人员和学者的参与。 1 2r o b o c u p 简介 1 2 1 比赛简介 国际机器人足球比赛主要分为仿真组、小型组、中型组和类人组的等，比赛规则与 人类的正式足球比赛的相似。第一届r o b o c u p 世界杯于1 9 9 7 年8 月2 5 日在日本的名 古屋与国际最高级别的人工智能学术会议国际人工智能联合大会同期举行。来自 美、欧、日、澳的多支队伍参加了比赛。此后每年一届，至今已经举办过十一届了，表 1 1 为小型组历届基本情况( 数据来源于r o b o c u p 官方网站) 。r o b o c u p 在世界上的知 名度越来越高，同时在国内的影响也越来越大。国内的组织最早于1 9 9 9 年在重庆举行 江南人学硕士学位论文 了仿真组的比赛，中国科技大学蓝鹰队获得了冠军，之后蓝鹰队开始参加国际r o b o c u p 系列比赛。 表1 1小型组比赛历届基本情况 t a b l 1b a s i cc o n d i t i o no f t h ep r e v i o u ss i n a i ls i z er o b o tg a m e s 届数 举办地点举办时间参赛队数 冠亚军队伍 第十一届 亚特兰大 2 0 0 7 7 1 ，、 1 9 2 0 0 7 7 1 0 c m d r a g o n s ( 美国) p l a s m a z ( 泰国) 小型组是r o b o c u p 的竞赛项目之一，从第一届比赛至今，该项比赛一直在不断的 升级中。虽然比赛的规则每年都会有所不同，但是整体思想变化不大。比赛场地、机器 人、摄像头、计算机和球一直都是影响比赛的要素。 比赛中，每方至多用5 个机器人，机器人直径不能超过1 8 0 m m ，机器人j 下上方贴 有圆形的颜色块，用来进行图像识别，两队分别用黄色、蓝色。机器人可以有击球装置、 带球装置等，但是不能对场地、球和对方机器人造成伤害，对严重的碰撞以黄牌、红牌 2 * # 水处州。比赛用球为橙黄色的高尔夫球，苴径大约4 3 m m ，重约4 6 9 。比赛系统示意图 圳引1 一l ( b ) 所示。图1 1 ( a ) 为比赛现场图片 比赛时通过悬挂在场地上方的摄像头采集场上信息，经图像处理提取出有州信息 后，传送给决簟程序，决策程序根据场地信息作出决策，再通过无线通信传送指令给备 日l 器人，机器人根据指令做相应动作如此循环往复。 ( b ) 系统示意图 ( b ) s k e t c ho f s y s t e m 图1 i 小型组比赛 f i gi is m a l ls i z e r o b o t g a m e 1 2 , 2 比赛系统简介 比赛系统主要包括视觉、决策、无线通信以及机器人车体等四个子系统。各个系统 之川的关系相互关系如图i 一2 所示。 江南大学硕士学位论文 图1 2 各个子系统之间相互关系图 f i gl - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a r i o u ss u b s y s t e m sf i g 视觉子系统： 视觉系统主要包括摄像头和采集卡等设备。作为机器人的“眼睛”，视觉系统承担 着识别场地信息的任务，如识别敌我双方机器人和球的位置、速度、方向等信息，这些 信息的正确与否直接决定了决策的效果。 决策子系统： 决策子系统与仿真组比赛的决策部分有些相似，都是对多智能体系统的控制。首先 我们需要进行战术编辑，用来调整站位、分配球员动作角色，并要进行局部配合，并将 这些都存储与战术数据中。比赛时，决策程序根据战术数据和视觉信息作出相应的决策， 将控制指令通过无线通县系统发射给各个机器人去执行。 无线通信子系统： 可靠的通信，是取得比赛胜利的关键因素之一，它必须保证机器人与决策主机端的 通信数据准确无误。并且由于比赛双方都会有多个机器人在动作，因此无线通信还必须 有一定的抗干扰性。目前各队使用的频率和通信协议主要分为两种：射频芯片或模块， 采用的频段主要有4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 g h z 等。 机器人车体子系统： 车体由执行机构和电路系统两大块组成。其关系图如图1 - 3 所示。 执行机构 执行机构是指令的最终执行者，包括机器人运动机构( 车轮) 和球处理机构( 电 机或电磁阀) 两部分。球处理机构又包含带球机构和击球机构，带球机构主要是 给小球一定的力，使球随机器人一起跑，实现带球跑位，击球机构实现传球( 挑 传、平传) 、射门( 包括挑射) 动作。 电路系统 电路系统主要包括以下几个功能块：无线通信、主控电路、控制电路、驱动电路、 传感器电路等。 4 第一章绪论 图1 3 机器人车体子系统结构图 f i gl 3s t r u c t u r eo fr o b o tb o d ys u b s y s t e m 执行机构 1 3 国内外研究现状 r o b o c u p t j 型组机器人比赛参赛队伍中，目前实力较强的国家有美国、德国、新加 坡、澳大利亚等。就机器人底层控制系统而言，国内外情况做如下归纳。 1 3 1 国外研究现状 美国康奈尔大学b i g r e d 队，采用的底层结构是p c i 0 4 总线嵌入式c p u 板力h f p g a 结 构。由于此嵌入式c p u 板采用的是笔记本元件，具有x 8 6 处理器特性，便于编程。另外， 处理频率速度快，最高可达4 0 0 m h z ，一些智能算法可放在底层处理，减少无线通讯压 力i5 。采用四轮全方位驱动，踢球机构采用电磁阀控制。 新加坡理工学院机器人小车使用四轮全方位移动机构，速度控制器采用i n t e l 8 0 2 9 6 微控制器，每个车轮由一直流电机驱动，电机带有5 1 2 线的编码器用于轮速检测，通讯 采用9 0 0 m h z 的射频1 6 j 。 澳大利亚昆士兰大学足球机器人小车平台采用三驱动轮的全方位移动机构，采用 m o t o r l a 的3 2 位m c 6 8 3 3 2 微处理器，其具有2 5 6 k b 的f l a s h 和1 2 8 k b 的r a m 。踢球机构采 用电机控制，通过齿轮控制击球杆的伸缩，带球机构采用电机加滚轮的机构，全方位轮 采用正交轮实现1 7 j 。 1 3 2 国内研究现状 国内参j 3 h r o b o c u p d x 型组机器人比赛较晚，中国科技大学、清华大学、浙江大学在 领域实力相对较强。 中国科技大学第三代机器人是基于t m s 3 2 0 f 2 81 2 的机器人底层控制实现的，电机采 用直流电机，另外专门增加了一块t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 用作通信处理。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公 司近年来推出的3 2 位定点d s p ，是用于工业控制和机器人控制等领域的目前最高档的 d s p 之一，其运算速度达到1 5 0 m i p s ，存储容量大，外设资源丰富，功能更为完善，对 各个模块的控制方法也更加灵活，击球、挑球机构采用两个电磁铁进行分别驱动，带球 采用带球电机加滚轮形式【引。 清华大学机器人底层控制系统采用t i 公司的1 6 位定点超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 实现控制。m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部集成有一个高性能的1 6 位r i s c 内核的c p u 、8 路1 2 位的a d 、 可编程的l o 路p w m 输出、2 个专用定时器、硬件乘法器、2 k b 的r a m 、6 0 k b 的f l a s h 、 两个u a r t e i 、看门狗和自启动电路等，功耗低于5 m w ，编程和p c b $ 1 j 版都i ：i ：d s p 方便， 江南人学硕：学位论文 带球机构采用带球电机加滚轮形式1 9 1 。 浙江大学机器人底层控制系统采用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片作为控制芯片， 其指令执行时间短，运算速度快。2 4 0 7 集d s p 的高速信号处理运算能力和适于电机控制 的外围电路于一体，减少了电子元器件的数量，可简化电路设计，提高硬件稳定性，改 善速度控制的精度【m 】。 1 4 论文主要研究内容及安排 本论文围绕r o b o c u p 小型组( f 1 8 0 ) 足球机器人车体系统，旨在设计足球机器人 的总体功能，主要完成工作如下： 运动机构设计及主要部件选型 球处理机构设计 设计控制系统总体方案、硬件和软件详细方案 绘制控制板原理图和p c b 图 编写控制系统d s p 软件程序，编写c p l d 可编程器件v h d l 程序 各硬件板及软件程序的调试 针对运动机构的高性能要求，基于d s p a c e 做了运动平台的运动算法研究 论文的主要章节安排如下： 第一章主要对r o b o c u p 比赛做了简介，简要总结了国内外的研究现状，明确了本 的研究方向，阐述了课题的研究背景及研究意义。 第二章主要是机器人各部分机构分析，从动力学角度对车轮、底盘、带球、击球、 挑球等机构做了设计及分析。 第三章，基于d s p a c e 对机器人运动平台进行了运动控制算法研究，以d s p a c e 作为 主控制芯片，进行了实物的仿真。在无刷直流电机驱动控制中，采用全桥逆变器，调速 算法拟采用模糊p i 实现。 第四章，电路系统的设计分析，分析绘制个部分原理图。 第五章，控制系统的实现，各功能模块的软件实现。 第六章，对本论文做了总结和展望。 6 第二章机器人机构设计与分析 2 i 概述 机器人的车体由运动机构和电路系统组成。一个性能优越的机器人应具有运动灵 活、快速，控球能力强，攻击能力强以及操控方便等优点，而这些都取决于机构设计。 随着足球机器人项目的发展，各机器人的主要机构已经取得一定的共识，因此如何提高 符机构的性能己成为机器人设计的重中之重。 机构性能、操控性是机构设计所需要考虑的最重要的因素。前者决定了机器人的潜 能，而后者则决定了这些性能是否能被可靠而有效的使用起来。本章将对机构设计从车 轮、底盘结构、带球机构、击球机构、挑球机构五个方面来阐述。 2 2 运动机构的设计与分析 堰动机构的设计直接影响到机器人的动作性能轮子及其数目和碲局直接决定了机 器人运动的灵活性。r o b o c u p 自1 9 9 7 年开赛以来，为了让机器人能够在不用转向的情 况下实现全方位运动，各队逐渐抛弃了传统的轮子结构，而选用了正交轮，后义发展为 投排轮，车轮的数目也从2 轮逐步发展为3 轮和4 轮。车轮的结构、数目和布局对机器 人的运动速度、加速度等有着很大的影响。 2 2 1 车轮设计 为了实现不经转向就能够全方位运动，则机器人的车轮必须采用万向轮的结构，图 2 - 1 反映了车轮结构的发展变化】。双排双向轮的设计是为了解决单排轮圆周不连续的 穆船幽冲 ( a 】s w e d i s h 轮( b ) 正交轮 ( c ) 球论 口囫渺 d ) t r a n s w e e l 轮 ( e ) 鼠排双向轮( 连续切1 盎论) ( f ) 单排双向轮( s i r 全方位轮 喝 l 车轮结构发展 f i g2 - 1d e v e l o p m e n t o f t h e w h e e l $ i m c | u r e 南人学! i ：学位论文 缺点，但足采用这种结构又带了占用空日j 大以及着地点变化等缺点，此外，山于从动轮 的形状为椭圆形，其跟地面的摩擦系数也较小。为了克服上述缺陷，出现了单排烈向轮。 图2 1 中f 图即为我们所设计的单排双向轮，其车轮半径为5 c m ，车轮圆周l 。每隔2 4 度放置了一个小扁圆轮，装配示意图如图2 - 2 所示。 囤2 - 2 车轮装配示意图 f k 2 - 2s c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e w h e e la s s e m b l y 2 2 2 车轮布局设计 机器人采用四轮驱动结构为了增加置于机器人前端的带球机构的宽度，方便的安 放击球和挑球机构，机器人不采用等角度等间距的轮子布局，取而代之的是酊两轮分别 向后l5 。角，如下图2 - 3 ( a ) 所示，底盘效果图如图2 - 3 ( b ) 。 溉 等孽 龟。，一霹 ( b ) 图2 - 3 车轮布局 f i g2 - 3 w h e e l l a y o u t o f t h e r o b o t 第二章机器人机构设计f j 分析 2 2 3 运动学方程【1 2 】 要实现对机器人的精确控制建立如图2 4 所示的坐标系，x 、】，为世界坐标系，x 、 y 为机器人车体坐标系。令机器人的质心坐标0 = i x 纠7 ，珊( 江0 ，1 ，2 ，3 ) 为各车轮在车 体坐标系内的单位方向矢量，l i ( i = 0 ，1 ，2 ，3 ) 为圆心到各轮中心的矢量。因此可得各轮子 的坐标： = d + r ( 臼) f ，i = 0 ，1 ，2 ，3 ( 2 1 ) 图2 - 4 坐标系 f i g2 - 4c o o r d i n a t es y s t e m 其中 平面坐标系旋转变换矩嘲日) = 瞄s i n：o i s 抖于是我们可以得到： fcfi c 铷= 划 隅嘲= 钟1 卜一压2 r h r - 1 1 _ 拈卜。 四个轮子的方向为：= 2 l l 一i 引j ，嵋= 孚 二： ，= 等i 。 ，= 吉 乍 。 对式2 i 两边求导得到各个车轮的速度矢量，进一步可以求得各个车轮的速度为： v = v7 1 r ( p ) 彬= 0 7 r ( 日) 彬+ i 灭( p ) 7 。r ( 日) 彬，i = 0 ，1 ，2 ，3 ( 2 2 ) 式2 2 的右边第一部分表示机器人质心速度在轮子方向的投影，第二部分表示切线 方向的速率。由此我们可以得出结论：车轮的线速度是机器人质心线速度在x 和y 两 个方向上的分量在车轮方向上的投影以及机器人旋转速度三者之和。将上述式子代入推 9 江南人学硕上学位论文 场 m 屹 b - s i n ( 0 + 7 r 3 ) s i n ( 0 - 7 r 4 ) s i n ( 0 + z t 4 ) - s i n ( 0 - 7 r 3 ) c o s ( 0 + 7 r 3 ) - c o s ( o - 2 r 4 ) - c o s ( 0 + 7 r 4 ) c o s ( o - z r 3 ) ( 2 3 ) 当世界坐标系与车体坐标系的横轴平行( 即0 = 0 ) 时，式2 3 可进一步简化为： h 屹 鸭 s i n ( z r 3 ) - s i n ( r t 4 ) s i n ( t r 4 ) s i n ( a 3 ) c o s ( n ：3 ) ， - e o s ( n 4 ) ， - c o s ( t r 4 ) ， c o s ( z r 3 ) ， ( 2 4 ) 2 2 4 电机选型 机器人的运动性能中的速度、加速的的提高主要依赖于选用大功率的电机配上合适 的减速装置来实现。为了提高精度一般不提倡采用自制齿轮组来减速，因为齿轮加工复 杂，自制精度不能保证。推荐采用减速箱进行减速。本课题选用m a x o n 公司的无刷直流 电机，电机及减速箱的型号分别为： e c 4 5f l a t3 0 w 和齿轮箱g s 4 5 ( 5 ：1 ) 。 2 3 球处理机构设计与分析 带球、击球、挑球三个机构组成了机器人的球处理机构，球处理机构的设计是为了 提高机器人在控球和进攻方面的能力。跟现实的足球比赛一样，谁在场上占据主动，谁 的控球技术越强，谁的进攻能力越强，则比赛的主动权就掌握在哪一方手里，就更有希 望获得比赛的胜利。 2 3 1 带球机构 加装带球机构是为了增强机器人的控球能力，很多队伍为了解决转弯时带球问题， 采用侧带球机构，但是从2 0 0 4 年起的新规则禁止使用侧带球机构。现下带球机构设计 方法一般有两种：一是采用开槽的带球机构，如图2 5 ( a ) 所示，清华大学采用的滚轮 式带球机构【1 3 】，通过点击带动滚轮滚动给球施加一定的压力，图2 5 ( b ) 为澳大利哑 昆士兰大学所采用的带球机构1 7 】；另一是直接放弃带球机构，改为研究不使用带球机构 时的推球方法，即增加配合。 为了增强带球机构接球的能力，在带球滚轮做适当的修改，采用如图2 - 6 所示带球 机构，在滚轮上增加橡胶膜，并且橡胶膜做成斜梯度式，滚轮中间加工成圆弧形，以适 应球面。这样可以在滚轮接触球时，把球往滚轮中问挤，更好地控制好小球。滚轮的斜 后上方装有电机，通过减速齿轮进行传动，减速比5 ：1 ，电机选用功率为3 0 w ，最高 转速为6 0 0 0 转分的有刷直流电机。 l o * a 机* 机构* 。n * ( b 】 图2 - 5 滚轮式带球机构简图 f i g2 - 5s k e t c ho f r o l l e rb a l c o n t r o l l e r 图2 - 6 带球机构结构困 f i g2 - 6s t r u c l u r ef i g o f b a l lc o n t r o l l e r t j 耋 m 鸵 带球机构力学分相1 1 2 ”i 小球受力分析如图2 7 所示，n l 为滚轮给小球施加的压力， 为滚轮、小球问的摩 撺山n2 为地【n 】支撑力，g 为小球重力，丘为小球与地面见得摩擦力r 为小球半径a 0 为滚轮iz l 小球c - 心连线与水平面的夹角。小球将在这些力的作用f 机器人保持相对的 - l 随。当机器人带球向前运动时，平衡时的受力如图2 7 ( b ) l i 实线所示，当机器人向 jr j 离j l 讣球叫，受山如刚2 7 ( b ) 中虚线所示， 江南人学硕上学位论文 滚轮 ( a ) 图2 7 小球受力分析 f i g2 - 7a n a l y s i so ft h eb a l l 小球力学平衡方程式： x - - a - f ls i n 0 + n ic o s 0 = o ， j ，= 一ls i n 口一i c o s p g + 2 = o ， m = ( z - a ) r = o ( b ) ( 2 5 ) 假设小球与地面的摩擦系数是m ，小球与滚轮问的摩擦系数是u ：，则可得式2 6 ： ( 2 6 ) 代入式2 5 可求解得到： 纵：! 竺! 望( 2 7 ) 甜，= 一 l z ，j l + s i n 0 观察式2 7 可知，只与带球角0 有关，而与球径及其与地面的摩擦系数无关。根 据设计要求，主要是滚轮安装的位置，由于受到规则限制，所以o 角最大只能取到3 8 。， 所以可计算得到滚轮上的橡胶膜与球面的摩擦系数u ，0 4 8 7 7 。这是我们选择橡胶膜的 参考依据。 2 3 2 击球机构 击球机构主要是用来增强机器人的进攻能力，使机器人能够远距离进行攻门、传 球等动作，丰富进攻的手段。击球机构的主要实现方法如下： 机械储能式。通过电机带动蜗杆对弹簧进行压缩，实现储能操作，通过勾扳 机形式释放出能，完成击球。澳大利亚昆士兰大学击球机构采用的就是这种 方法，如图2 8 所示【刀。 电容储能式。通过升压电路对电容进行充电，然后将所存储的能量瞬问释放 给螺线管电磁铁，电磁铁的铁心完成击球功能。该方法机械结构简单、使用 、rj m m六彳 = = 纳比 方便、击球力度大，是近年来击球机构设计的主流。美国康奈尔大学采用的 击球机构即为此方式，如图2 t o 所示【”i 。 围2 - 8 昆士兰戈学的机械式击球机构 f i g2 - 8 m e c h a n i e a lb a r i n g a g e n c i e so f u n i v e r s i t y q u e e n s l a n d 图2 - 9 康奋尔戈学采用的电磁铁击球机构 f i g2 - 9c o m e l l u n i v e r s i t yu s e de l e c t r o m a g n e t sb a a i n ga g e n c i e s 躲于电容储能方式的优点，本课题的击球机构采用该方法。选用深圳众恒电器有限 公司的型号为z h o 一1 5 6 4 的d 型推拉式电磁铁，线圈匝数为3 7 5 0 ，其最高屯压为7 6 v ， 最人行程为1 0 r a m ，其实物图片如图2 一1 0 所示。在端子上加装梯形脚架，构成踢球器， 形式类似于图2 r 9 所示。挑球器也在此加装，详见2 33 章节。击、挑球机构示意图如 图2 - 1 1 所示，电磁铁推进时，击球杆将球击出此时挑球杆杆头下压，不会触及小球。 田 困2 1 0z h o 1 5 6 4 l 电磁铁 f i g2 - 1 0 z h o - 1 5 6 4 l e l e c t r o m a g n e t 江南大学硕上学位论文 地面 支架 图2 1 1 击、挑球机构示意图 f i g2 - 11 s t r u c t u r eo fb a t t i n ga n dp i c kb a l l 击球机构分析【1 2 ，1 6 1 如图，放置在地面上的球受到冲量i o 要使球以最快的速度被击出，球在受到冲量 i 后的运动方式应该是相对于地面的纯滚动。 球在受到冲量i 后在地面上纯滚动，我们可以假想地在球的速度瞬心处加一铰链， 如下图所示： 球在碰撞前静止，碰撞后以角速度向前滚动，其质心的速度为屹，铰链o 处的 约束力冲量在x 轴和y 轴上的投影分别为l ，l 。 根据刚体平面运动微分方程的积分形式和质点系动量矩定理的积分形式得 i s i n a + = 0 ，+ c o s a + = m ( v c 一0 ) j o ( 珂- 0 ) = ，奎h c o s a 1 4 第二章机器人机构设计与分析 o x = 一i 奉s i n c t i o ，= m 幸屹一i 宰c o s t z 刃= i 水h c o s a j o 显然，要使铰链不受撞击( 即球纯滚动) ，即乞= 乞，= 0 ，必须满足：- f n 条件： 1 ) ，木s i n a = 0 ，即q = o ； 2 ) j l d 。= 0 。 计算得到：厅= 吾= 7 因此我们可以得到如下结论：击球角q = 0 ；击球点h 7 刚5 ，r 为小球半径。 2 3 3 挑球机构 挑球机构顾名思义，即将球挑起，可以选择挑过门将、防守队员。根据驱动方式， 挑球机构同样也有两种驱动方式，驱动方式与击球机构相同。根据跳球方式可分为：低 击式( 低击点挑球) 、球着地反弹式、杠杆挑射型。本课题采用杠杆挑射型，其示意图 如图2 1 1 所示，挑射杆前端做成斜面，以充分与球接触，电磁铁进行拉进动作时，铁 心向后动作，挑射杆前端向上翘起，从而将球挑起。挑射动作过程如图2 1 2 所示，虚 线所示为挑射之间球及挑射杆的位置，实线为挑球动作执行后一瞬间的球与挑射杆的位 置，此后当挑射杆到位后，球将离杆射出。 图2 - 1 2 挑球过程图解 f i g2 - 2p i c kb a l lp r o c e s sd i a g r a m 2 4 本章小结 本章从运动学、力学、机械等方面对机器人各个部件进行了设计分析，完成了包括 车轮、底盘布局、带球机构、击球机构、挑球机构的设计，并推导出了机器人运动平台 的运动学模型，以及确定了部分元件的型号。 第三章基于d s p a c e 机器人运动平台运动挡制算法研究 第三章基于d s p a c e 机器人运动平台运动控制算法研究 3 1 概述 工程实践中，机器人控制器多由d s p 或者单片机予以实现，要实现复杂的精确的 算法，需要编写大量的程序代码，整个开发周期长。d s p a c e 作为一个可用于在线仿真 的系统软硬件平台| 7 】，借助r t w 和r t i 的支持，无须编程，在线模型便可生成实时代 码，并自动编译、连接、下载到实时硬件中运行。鉴于d s p a c e 的优点，我们进行机器 人新型算法的开发，势必将缩短开发周期，提高产品的性能。 本章借助d s p a c e 这个在线仿真平台进行机器人运动控制算法研究，机器人控制器 按照主从结构设计，从机采用a l t e r a 公司的c p l d ( e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 ) 芯片，主要负责机 器人四个无刷直流电机的驱动，产生每个电机控制所需的六路p w m 信号，并产生相应 的位置信号，为速度计算提供脉冲信号；主机则利用d s p a c e 平台实现，主要负责产生 控制电机需要用的四路p w m 信号。基于双闭环控制实现对电机的控制，电流环由p i 控制器实现，速度环采用模糊p i 算法。 3 2 研究平台控制方案设计 整个移动机器人控制方案如图3 1 所示，主要由四个部分组成：控制量输入部分、 控制部分、驱动部分、对象。控制量的输入通过手柄来实现；控制部分主要由d s p a c e 平台来实现，此部分亦即为控制器的主机部分，产生四路p w m 信号；驱动部分由c p l d 及逆变器构成，c p l d 也就是控制器的从机部分，主要负责对象的驱动；对象则是机器 人的四个驱动电机。驱动部分即为我们的足球机器人运动平台。 3 2 1 控制量输入 d !；p a c e 1，v i j r v 2 v 3 1 1w 广 i b l d c i t -i l 一多 l - 1 6i ；。，咖 i - i 您x 话l p w mb l d c 翻_ u 、 p 7 ：2 i 逆变器2 p 2 j ，p 、生 c p l d p w i m d $ 2 2 0 l ad s l 0 0 5八 d $ 2 2 0 l b l d c u v ( v d ) 叫 算法 ( i 0 )增 c p m 7 1 2 8 s l c 8 4 1 3 ，一h i 谫蛮器3 i p 3 实现 v pw。bi 1 i 。片 p v d m 4 + 1 9 刮璺 卜b l d c i j l 4 i l1 21 34 十 l 1位置i i1 1信号 图3 1 机器人控制方案图 f i g3 1p r o g r a m m ep l a n so fr o b o tc o n t r o l 江南大学硕士学位论文 机器人的运动学模型在本论文第二章已经进行推导，为式2 4 ，观察式2 4 可知， 要想获得各轮的速度，只需求得文、夕、百，亦即x 轴方向的速度分量圪、y 轴方向的 速度分量_ 及旋转角速度。其中圪、_ 可由手柄的模拟信号量获取，手柄输出两路 相互垂直的模拟信号u 、q ，如图3 - 2 所示，对u 、u y 的处理可以得到我们所需的k 、 k ，如式3 1 示，鼍、k ，为常系刿1 引。 咄二乩 (31)k 巧= y + u yj ” y 轴。 一 刁u 、x 塞 u y 1 8 0 。f l u 。o 。 ， 2 7 0 0 图3 - 2 子柄信号矢量分解 f i g3 - 2v e c t o rd e c o m p o s i t i o no fh a n d l es i g n a l 关于的获取，本次设计中采用给定值方式，可以按驾驶者的兴致来确定。当驾 驶者需要小车在原地旋转一定角度时，通过控制台给定一个开关量，则将获得一个 非零的常值；若不需要原地旋转时，则消除开关量，则= 0 。 由此获得叠、j c ，、百，代入式2 4 可得，四个车轮的速度，如式3 2 ： v o 一鲁m 5 _ 一譬圪一孚巧 屹：孚圪一孚。 ：孚彤 1 2 2d s p a r r 简介 ( 3 2 ) d s p a c e 是一个可用于在线仿真的系统软硬件平刮17 1 。作为平台，d s p a c e 从数据 处理速度、响应时间及数据