（检测技术与自动化装置专业论文）类人足球机器人控制系统的底层设计及决策研究.pdf

摘要摘要类人机器人是机器人研究领域的一个重要分支，代表了机器人的尖端技术，是机器人研究的最高境界。类人机器人足球比赛是伴随着类人机器人技术和分布式人工智能的发展而迅速兴起的一种高科技对抗活动，积极参与该项活动将对我国类人机器人事业的发展起重要的推动作用。控制系统是机器人的核心部分。类人足球机器人关节众多，控制电路复杂，而比赛对控制系统的稳定性、实时性、协调性、功耗及体积等方面都提出了很高的要求，因此，合理的控制结构和优化的控制电路将是机器人在赛场上表现良好的基础。硬件方面，本文首先从当前r o b o c u p 机器人足球比赛对类人机器人的功能需求和规则要求出发，为实验室研制的类人机器入机械本体量身定做了一套能够较好完成比赛任务的控制系统。该控制系统采用主从式结构，主板选用x s c a l ep x a 2 7 0 处理器，主要完成实时视觉信息处理、无线网络通信、决策及任务规划等上层任务：从板选用a v r 单片机a t m e g a l 6 l 作为从处理器，主要完成倾角传感器信息的采集及转换、对各个舵机的直接控制等下层任务。主从处理单元之问采用1 2 c 总线进行通信。然后完成了控制系统具体电路的设计工作，主要按照性价比高、容易购买到、集成度高、能耗小的原则选择了器件，以满足机器人对控制系统体积和能耗的要求。软件方面，嵌入式操作系统是机器人控制系统重要的组成部分。嵌入式l i n u x 是机器人操作系统较好的选择。本文采用2 6 9 内核版本，其可抢占式内存可以使机器人对比赛过程中各种突发事件具有更快速的响应能力。完成了b o o t l o a d e r 的烧写、内核及根文件的移植工作后，成功启动并运行了嵌入式l i n u x 。最后，对主板的主要功能模块进行了必要的测试。决策方面，机器人在赛场上的一切智能活动都基于它的决策系统。本文首先在控制系统底层硬件平台基础之上构建了机器人比赛的自主决策系统，然后对该决策系统进行分层设计，最后运用自由状态机理论设计并实现了机器人的自主进攻策略和防守策略。真实环境中的实验及比赛结果验证了该决策方法的有效性。关键词：类人机器人，足球比赛，控制系统，p x a 2 7 0 ，嵌入式l i n u x ，自由状态机，决策a b s t r a c ta b s t r a c th u m a n o i dr o b o ti sa ni m p o r t a n tb r a n c ho ft h er o b o tr e s e a r c hf i e l d ，o nb e h a l fo ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo ft h er o b o t ，b e i n gt h eh i 曲e s tr e a l mo nt h er o b o tr e s e a r c h h u m a n o i dr o b o ts o c c e rc o m p e t i t i o n sa r eak i n do fh i g h t e c hc o n f r o n t a t i o n a la c t i v i t i e s ，i t se m e r g e n c eg o e sa l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh u m a n o i dr o b o tt e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e p a r t i c i p a t i n gi nt h eg a m e sa c t i v e l yw i l lp l a yai m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a sh u m a n o i dr o b o t c o n t r o ls y s t e mi st h ec o r ep a r to ft h er o b o t h u m a n o i ds o c c e rr o b o th a v em a n yj o i n t sa n dc o m p l e xc o n t r o lc i r c u i t t oc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m p e t i t i o n sh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t so ni t ss t a b i l i t y , r e a l - t i m e ，c o o r d i n a t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o n ，s i z ea n ds oo n t h e r e f o r e ，ar e a s o n a b l ec o n t r o ls t r u c t u r ea n do p t i m i z e dc o n t r o lc i r c u i tw i l lb et h eg u a r a n t e ef o rt h er o b o t sg o o dp e r f o r m a n c ei nt h eg a m e s i nt e r m so fh a r d w a r e ，f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h ef u n c t i o nn e e d sa n dr u l er e q u i r e m e n t so ft h ec u r r e n tr o b o c u pr o b o ts o c c e rc o m p e t i t i o nt ot h eh u m a n o i dr o b o t ，w ed e s i g n e das e to fc o n t r o ls y s t e mf o ro u rl a b sh u m a n o i dr o b o tb o d y t h ec o n t r o ls y s t e mu s e dam a s t e r - s l a v ea r c h i t e c t u r e x s c a l ep x a 2 7 0w a sc h o s e na st h em o t h e r b o a r dp r o c e s s o r , a n dt a s k ss u c ha sr e a l - t i m ev i s u a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，d e c i s i o n m a k i n ga n dm i s s i o np l a n n i n gn e e d e dt h em o t h e r b o a r dt oc o m p l e t e t h es l a v eb o a r ds e l e c t e da t m e g a16 la st h ep r o c e s s o r , m a i n l yc o m p l e t i n ga n g l es e n s o ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dc o n v e r s i o n ，s e r v om o t o rc o n t r o l l i n gt a s k s b e t w e e nm o t h e r b o a r da n ds l a v eb o a r d ，w eu s e d1 2 cb u sc o m m u n i c a t i n g t h e n ，w ec o m p l e t e dt h es p e c i f i cc i r c u i td e s i g nw o r ko fc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt om e e tt h er o b o tc o n t r o ls y s t e ms i z ea n dp o w e rc o n s u m p t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h o s ed e v i c e sa n dc o m p o n e n t st h a ta r ec o s t e f f e c t i v e ，e a s yt ob u y , h i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o nw e r es e l e c t e d i nt e r m so fs o f t w a r e ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti nr o b o tc o n t r o ls y s t e m e m b e d d e dl i n u xi sab e r e rc h o i c ef o rt h er o b o to p e r a t i n gs y s t e m u s i n gv e r s i o n2 6 9k e r n e l ，t h ep r e e m p t i v em e m o r yc a nm a k et h er o b o tr a p i d l yr e s p o n s et oav a r i e t yo fe m e r g e n c i e si nt h eg a m e s a f t e rc o m p l e t i n gb o o t l o a d e rp r o g r a m m i n g , l i n u xc o r ea n df i l ed o c u m e n to fr o o tt r a n s p l a n t i n g ，w eh a ds t a r t e da n dr u nt h ee m b e d d e dl i n u xs u c c e s s f u l l y f i n a l l y , a l lf u n c t i o n a lm o d u l e so fm o t h e r b o a r dw e r et e s t e ds i m p l y i nd e c i s i o n - m a k i n ga s p e c t ，a l li n t e l l i g e n ta c t i v i t i e so fr o b o to nt h ec o u r ta r eb a s e do ni t sd e c i s i o n m a k i n gs y s t e m f i r s t ，t h ed e c i s i o n m a k i n gs y s t e mo fr o b o tc o m p e t i t i o nw a sc o n s t r u c t e do nt h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m t h e n ，t h ed e c i s i o n m a k i n gs y s t e mw a sd e s i g n e dh i e r a r c h i c a l l y , f i n a l l y , u s i n gt h ef s mt h e o r y , w ed e s i g n e da n dr e a l i z e dr o b o t so f f e n s i v ea n dd e f e n s i v es t a t e g y e x p e r i m e n t a li nt h er e a le n v i r o n m e n ta n dc o m p e t i t i o nr e s u l t sh a dp r o v e dt h ee f l b c t i v e n e s so ft h ed e c i s i o n m a k i n gm e t h o d k e y w o r d s ：h u m a n o i dr o b o t ，s o c c e rc o m p e t i t i o n s ，c o n t r o ls y s t e m ，p x a 2 7 0 ，f s m ，e m b e d d e dl i n u x ，d e c i s i o n - m a k i n gi i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是苯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：日期i- 2 口舒f12 _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：导师签名：删( 九跏6iv第审绪论第一章绪论1 1 国内外类人机器人研究现状研制具有人类行为特征、可以模拟人类行走与操作功能的机器人是长久以束人类对机器人研究的梦想之一川。上世纪六十年代至今这一梦想吸引了世界各国的众多科技工作者，近十几年，随着科学技术的迅速发展，人们对这一领域的研究已经取得了长足的进步。1 i i 国外类人机器人研究现状美国是研究类人机器人较早的国家，但在高复杂度类人机器人研发方面，同本一直处于领先地位，尤其是本田公司，他们研制的类人机器人代表了国际最高水平。1 9 9 7 年9 月，本田公司发布的人形机器人p 3 是世界上第一个完全独立，依靠两条腿行走的真正意义上的类人机器人。2 0 0 0 年1 1 月，本田公司发椎了第一代a s i m o 类人机器人。与p 3 相比，a s i m o 具有更稳定的行走能力，以及与人类实际生活空间更加贴近的便利性外形设计。另外，手臂的活动范围也有所扩大，通过使用便携控制器提高了操控性能。a s i m o 的推出，将类人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使类人机器人的研制和生产诈在走向实用化、工程化和市场化吼2 0 0 2 年1 2 月，本刚将能够理解人的姿势和动作并自主行动的智能化技术搭载于a s i m o 。此时的a s i m o 能够和接近的人打招呼、跟踪人、走到指定位置，并能记住人的相貌、称呼人的名字，还可以向人们提供旺联刚上的信息并进行说明。这种具有综合智能化技术的科幻机器人属世界首创。-o囱囤卜ia s i m 0 雌时速6 k m 奔跑圈卜2a s i m 0 让路f i g 卜ia s i m 0isr u n n i n ga t6 k m hf 【gl _ 2a s i m 0ism a k i n gw a yf o rp e o p l e2 0 0 4 年1 2 月发布的a s m e 不但能像人类一样自然奔跑而且能在现实环境中迅速判断情况，并配合人的活动采取相应的行动。2 0 0 5 年1 2 月，新一代a s i m o 使用了新开发的综合控制系统，可以在办公室等现实环境中作业，自行从事接待、向导、递送等服务，并且极大地提高了移动能力，实现了时速哆嘞l0 嚏南 学顶l 哔位镕i6 k m 的奔跑( 如图卜1 ) 及迂回行走。自2 0 0 5 年发布了具有更高智能化和移动能力的a s i m o 后，本时将研发的重点放在了智能技术方面。2 0 0 7 年最新发布的a s i m o 可以根据人的举动做出退后一步让路( 如图1 2 ) ，或是直接前行错身经过等智能性反应，还可以运送托盘、推车前进等。新一代a s i m o存电池电量不足的情况下可自行充电，其成功丌发的可控制多个a s i m o 相互协作、连续工作的综合系统，可以根据实际情况在多个a s i m o 之间自动进行工作分配，当其中的一个a s i m o 充电时，由其它a s i m o 不问断地提供服务。这种可协调多个a s i m o 根据实际情况自主活动，连续为人类提供服务的智能化技术，使a s i m o 朝着与人类共存的实用化阶段更迈进了一步。总之类人机器人的仿人不仅包括行走方式、视觉、触觉、语言等人类基本功能的模仿而且还包括情感、思维等高级智能的仿人。它是多种技术的综合、集成和提高。本用公司研发的类人机器人虽然正在走向市场化，但是它的功能还是很有限的，离实际意义上的类人化还有相当长的一段距离。1 1 2 国内类人机器人研究现状我国从8 0 年代中期才丌始研究类人机器人。长沙国防科技大学于2 0 0 0 年1 1 月研制出我国首台人形机器人先行者，如图1 - 3 所示。先行者身高1 4 m ，体重2 0 k g 共有1 7个自由度，可以完成原地扭动、平地前进、后退、左右侧行和左右转弯等动作。此外，还具有一定的语言功能，并能表演眨眼动作。先行者在步行中，通过手臂前后摆动与下肢动作相协调，实现了小偏差未知地面环境中的动态稳定行走，并在多项关键技术上取得了突破。图卜3 先行者f i g 1 3p i o n e o r囤卜4b i l r 一2f i g 1 4b 腿一2目前，国内最先进的机器人是北京理工大学于2 0 0 5 年9 月研制成功的b h r 2 型机器人，见图1 4 。b h r - 2 身高16 m ，体重6 3 k g ，共3 2 个自由度，能以l k m h 的速度行走，步幅0 3 3 m ，配备力传感器、视觉传盛器、倾角计、编码器等各类传惩器共“个，具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能。除动态步行外，b h r 2 还能够表演太极拳、刀术等复杂的动作，实现了人形机器人复杂动作设计技术上的突破。b h r - 2 的面世，使中国成为继日本之后，第二个研制出无外接电缆行走集感知、控制、驱动、电源和机构于一体的第一章绪论高水平类人机器人的国家，标志着我国的类人机器人研究已经跨入了世界先进行列【3 1 。1 2 机器人足球比赛及其类人组发展概况机器人足球的概念首先是由加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学的a l a nm a c k w o r t h 教授于1 9 9 2 年正式提出的【4 j 。1 9 9 3 年，m i n o ma s a d a 、h i r o a k ik i t a n o 和y a s u ok u n i y o s h i 等著名学者创办了r o b o c u p 机器人足球世界杯比赛，与此同时，一些研究人员开始将机器人足球作为研究课题。1 9 9 7 年，在第1 5 届国际人工智能联合大会上，机器人足球被j 下式列为人工智能的一项挑战【5 】。目前，国际r o b o c u p 联合会是占主导地位的、世界上规模最大的机器人足球国际组织，总部设在瑞士，现有成员国4 0 多个。联合会负责世界范围的学术活动和竞赛，包括每年一届的世界杯赛和学术研讨会。另一个影响较大的组织是国际机器人足球联合会f i r a ，该组织总部设在韩国大田，现有成员国2 0 多个，每年举办一次国际性比赛。f i r a 与r o b o c u p 的主要区别之一是采用不同的技术规范，f i r a 主要为集中式系统，即系统中只有一个决策机制，每个机器人没有独立自主权，其行动完全由中央控制器控制；而r o b o c u p主要为分布式系统，它要求参赛的机器人是全自主式，各个队员有自己独立的进程，负责自身的信息感知、决策和动作执行，进程之间不允许进行直接的信息交换，其复杂程度和制造成本较高。r o b o c u p 机器人比赛现共有足球比赛、救援比赛、家用机器人比赛和青少年组比赛四大类，其中足球比赛又分为仿真组、小型组、中型组、四腿组( 标准平台组) 、类人组。首届r o b o c u p 类人组足球机器人大赛于2 0 0 2 年在日本福冈成功举行，来自6 个国家的1 3 支队伍就竞速、罚点球、自由表演等几个项目进行了角逐。比赛期间本田公司的a s i m o 还做了精彩的表演。自从类人足球机器人走入r o b o c u p ，它就一直是机器人大赛中人们关注的焦点。目前的类人组机器人已经开展高复杂度的技术挑战赛以及2 对2 的机器人对抗赛，短短几年，类人足球机器人的发展已经取得了飞速的进步。可以预见，未来的足球机器人不仅外形与人相似，而且智能也与人类逐步接近，敢在球场上与人类足球队一争高下。我国清华大学于2 0 0 6 年开始正式参与r o b o c u p 类人组机器人国际公开赛，目前已经取得了技术上的巨大进步，但与日本、德国相比还有一定的差距。1 3 类人足球机器人的特点及研究意义类人足球机器人的最大特征就是双足行走。双腿直立行走是人类特有的步行方式，是行走方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。实现和人类一样的双腿稳定行走是类人机器人研究工作者的目标。类人足球机器人主要是外形的仿人、类人行走和完成各种人类的动作，与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点，比如，占地面积小，活动空间大，环境适应能力强及能耗较小等。类人足球机器人是计算机视觉、模式识别、自动控制、智能控制、传感器技术、无线通信、多智能体合作等多项技术的结合体，是一个典型的智能机器人系统。类入足球机器人比赛集高科技、娱乐、比赛于一体，虽仅开展几年，但己经成为各个国家争相参与的高技术对抗活动，引起社会的广泛关注【6 】。江南人学倾i ：学位论文研究与开发类人足球机器人系统，参加类人机器人足球赛是研究智能机器人，跟踪国际高科技理论和技术的理想切入点，同时也是嵌入式计算机系统理论联系实际的极富生命力的成长点。类人足球机器人涉及到的众多研究领域都是目前研究与应用中遇到的关键问题，因此可以很容易的将其一些研究成果转化到实际的应用中。所以，制造和训练类人机器人进行足球比赛，已成为人工智能与智能机器人研究领域中一个十分令人注目的热点。另外，类人足球机器人这种小型化，简易化的类人机器人在技术上更容易实现，有利于人形机器人技术的推广，使类人机器人的研究不再局限于大的研究所及某几所高校，让越来越多的人走迸人形机器人的研究领域，推动我国类人机器人事业的迅速发展。我们实验窜也积极进行类人机器人方面的研究工作，力争构建较高技术含量的类人机器人足球队，并参加各种类人机器人足球比赛，该课题也由此而展开。1 4 主要研究内容控制系统是类人足球机器人最重要的组成部分，它的好坏直接决定了一个机器人整体性能的优劣。决策系统是在控制系统硬件平台的基础上抽象出的机器人高层，负责对机器人的自主行为活动进行决策和管理。机器人对环境信息的快速理解以及在球场的精彩表现都依赖于其有效的决策系统。本课题就是要在对目前国内外类人足球机器人控制系统深入研究的基础之上，自主设计一个控制效果良好的类人足球机器人控制系统，并基于该控制系统进行机器人足球比赛的决策研究。论文结构安排如下：第一章绪论。简述国内外类人机器人研究的最新进展，介绍机器人足球比赛及其类人组的基本情况；阐述类人机器人的特点及研究意义；指出本文要研究的内容。第二章控制系统硬件设计的总体规划。从机器人足球比赛对类人机器人的功能需求和规则要求出发，系统分析所设计的类人足球机器人要具备的功能，然后结合实验室类人机器人( a f u ) 机械结构本体，构建控制系统的总体结构。第三章控制系统硬件的具体设计。主要为原理图的绘制，也包括p c b 板的设计要点以及后期硬件调试中要注意的事项。第四章在a f u 控制系统上运行嵌入式l i n u x 。分析选择嵌入式l i n u x 作为a f u 操作系统的原因，在软件人员内核及根文件系统构建好的基础上进行b o o t l o a d c r 、l i n u x 内核、根文件系统的移植工作，启动运行l i n u x 后进行调试，并完成必要的配置。第五章a f u 自主决策的研究。构建a f u 的自主决策系统，运用有限状态机理论设计自主进攻和防守的比赛策略，并将之实现。第六章总结与展望。对全文的研究工作做扼要的概括，并为后期的研究工作指明方向。4第二章控制系统硬件设计的总体艇划第二章控制系统硬件设计的总体规划2 1 引言类人足球机器人是一个靠双足行走的多关节智能系统。控制系统作为机器人的大脑和神经系统，要根据传感器信息和决策指令控制机器人本体完成一定的动作和比赛任务。机器人行走的速度、稳定性、自适应能力以及拟人化程度都有赖于其有效的控制系统，所以，控制系统在很大程度上决定了机器人整体性能的优劣。要对类人足球机器人的控制方案和控制结构进行研究、设计，首先必须对被控对象进行深入的分析。只有对被控对象的结构与机制有了清晰的认识，才能设计出合理的控制系统。2 2 被控对象分析2 2 1r o b o c u p 对参赛类人机器人的要求r o b o c u p 类人组比赛是在长4 5 0 厘米，宽3 0 0 厘米或者更大的矩形场地上开展的机器人竞赛活动，包括竞速、点球、避障、传球、带球绕柱等技术挑战赛和2 对2 足球比赛【7 1 。参加比赛的足球机器人必须完全按照人的体型设计，有两条腿、两个手臂、一个头连接至躯干，能够双脚站立，双腿走路，运动的形式仅仅包括双足步行和跑步。参赛机器人必须设计的健壮，倒地、触球、触人必须保持结构完整，没有比赛能力( 不能用双腿走动，不能站立，或者有明显问题) 的机器人不允许参赛。在传感器方面，机器人只能用等效于人类某个感官的传感器来感知环境，传感器位置也应与人类相近。特别指出不允许安装发射型传感器( 向环境发射光、声、电磁波以测量发射信号) ，远距离传感器( 例如摄像头、麦克风) 不能位于机器人的腿、臂，而应该置于头部。触觉、力、倾角等机器人内部传感器不受限制，可以放在机器人的任何位置。传感系统应能承受其他队员、裁判、机器人操纵者、观众相当程度的噪声和干扰。在通信与控制方面，机器人仅能通过组委会提供的无线网通信。同组机器人任意时刻可以互相通信；场外计算机只能向机器人发送比赛的开始和停止信号，或在比赛暂停时向机器人发送比赛控制信号( 例如：开踢，点球，任意球等) ，但是在活球期间，该计算机仅能通过无线网络接收信号。在电源方面，参赛的机器人必须自带电源，而不能以拖线的方式外接场外电源。2 2 2 被控对象的机械结构一个功能齐全的类人足球机器人必须有一个结构紧凑、配置合理的机械本体。合理、优化的本体结构既有助于提高机器人动作的协调性与稳定性，也有助于提高机器人的智能化和拟人化程度，完善机器人的各项功能【8 】。江南大学机器人实验室在汉库公司双足机器人模型的基础上，经过各方面的多次改进，开发出了最新一代的类人足球机器人机械本体，取名为a f u ，其外形如图2 1 所示。5南人 l 学论i图2 - 2 自由度的配置f ig2 - 2c o n f i g u r a t i o no f d o f实践证明，a f u 机器人本体机械结构稳定灵活度高，自由度分配合理，能够很好的完成比赛所需的各种动作。2 2 3 被控对象的疆动源被控对象的驱动源即机器人的电动伺服驱动系统，是利用各种电动机产生力和力矩，直接或间接地驱动机器人本体，以获得机器人各种运动的执行部件，主要包括直流伺服电第一二币挎制系统嫂件设汁的总体规划动机、步进电动机、舵机等。考虑到类人足球机器人的特点，对关节驱动电机的要求如下：第一，较好的快速性。要求电动机从获得指令信号到完成指令所要求的工作状态的时间短。响应指令信号的时间愈短，电伺服系统的灵敏性愈高，本体机构的快速响应性能愈好。第二，起动转矩惯量比大。要求机器人的电动机的起动转矩大，转动惯量小。第三，较宽广且平滑的调速范围。第四，控制特性有较好连续性和直线性。要求电动机的转速能连续变化，转速与控制信号最好成线性或近似线性的对应关系。第五，较高的可靠性和稳定性。能够适应频繁的j 下反向和加减速运动，并有一定的短时过载能力。第六，体积小、质量小、轴向尺寸短。这样便与在机器人本体上安装，且能够减轻机器人的总重量。因舵机具有体积紧凑、稳定性好、控制简单、定位精确、不易受外界干扰等诸多优点，类人足球机器人广泛采用舵机作为驱动源。舵机是一种带有位置反馈的伺服电机，内部由一个小型直流马达、一组变速齿轮、一个位置反馈电位器以及一块电子控制板组成，其工作原理如图2 3 所示。控制脉冲，一一圈一寸镯嘉司一痤_ | 絮嚣卜传感器i 图2 - 3 舵机的工作原理f i g 2 - 30 p e r a t i o n a lp r i n c i p i eo fs e r v om o t o r控制电路接受来自信号线的控制信号来控制转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴与位置反馈电位器是相连的，舵盘转动的同时带动位置反馈电位器转动。电位器将输出一个电压信号到控制电路板进行反馈，然后控制电路板将反馈信号与输入控制信号相比较，产生纠正脉冲，驱动马达正向或反向转动。当齿轮组的输出位置与期望值相符时，纠正脉冲为0 ，从而达到伺服马达精确定位的目的。舵机的控制信号为周期2 0 m s 的脉宽调制信号( p w m ) ，其中脉冲宽度从0 5 m s - - - ，2 5 m s 相对应舵盘的位置为0 。1 8 0 。，呈线性变化【9 】【l o 】。对市场上各种舵机进行综合性能比较后，选用了h g 1 4 m 大扭矩舵机作为a f u 腿和手臂各关节的驱动电机。h g 1 4 m 舵机为双滚珠轴承，合金钢齿轮，铜轴输出，扭力大且速度快，齿轮不容易因用力过大而损坏。腿和手臂各自由度统一使用同一型号舵机的目的主要是同一尺寸的舵机对机器人的外形设计最为方便，控制也更加简单。机器人头部尺寸较小，只用来安装摄像头模块而不用于承受其它外力，这里选用了s g 9 0 微型舵机作为a f u 颈部两个自由度的驱动电机。h g - 1 4 m 和s g 9 0 舵机的技术参数见表2 1 。与机器人动作速度所要求的舵机转速相比，除机器人做射门等特殊动作外，一般情况下舵机的转速要快很多。为使机器人的每个步态都能平滑过渡，需要在舵机控制软件设计7江南人学硕i ：学位论文时，通过时间等分、位置平滑插值的方式，在两个步念中插入若干个过渡步态，从而使舵机逐步地运动到指定位置。表2 - 1 舵机技术参数t a b 2 - 1p e r f o r m a n c eo fs c r v om o t o r舵机型号手h 矩转速尺寸m m重量1 ：作电压h g 1 4 m1 4 k g c m ( 6 v )0 1 8 s 6 0 。4 0 6 xl9 8 x 3 7 85 6 94 5 7 4s g 9 01 6 k g c m ( 堵转)o 1 2 s 6 0 。2 6 x1 3 x 2 49 94 0 - 7 22 2 4 被控对象对控制系统的要求根据以上对类人足球机器人比赛规则的分析，基于实验室新一代类人机器人a f u 的主体结构以及驱动源，初步分析所设计的控制系统必须满足以下要求：( 1 ) 可提供2 2 路p w m 控制信号，用来驱动机器人身上的2 2 个舵机，实现各自由度的灵活转动。( 2 ) 控制系统必须具有视觉传感器接口。摄像头相当如人类的眼睛，比赛场地的绝大部分信息都是由摄像头得到的。( 3 ) 要求控制系统的处理器具有强大的运算能力和对视频信号的处理能力，以便对视觉传感器采集的图像信息及时处理，提高机器人的决策速度。( 4 ) 为实现机器人之间信息传递，以及场外计算机对场上机器人的无线控制，控制系统需要具有基于i e e e 8 0 2 1l b g 协议的无线通信功能。( 5 ) 人类在行走的时候需要时刻感知周围的环境变化，以调整自己的姿态保持平衡。机器人同样需要感知周围的环境来保持自身的稳定，所以设计倾角传感器以实时检测自身的姿态是必要的。( 6 ) 类人机器人足球系统是一个高度复杂的智能系统，步态规划和调试、各种控制方法的实现以及比赛策略的制定都必然是一个反复调试，不断更新的过程，机器人系统必须具有和外界计算机方便交换数据的能力。( 7 ) 为了实现机器人系统的高性能控制，控制系统要集成度高，体积小，硬件数量和连线尽可能少，规模尽可能简洁。( 8 ) 机器人系统为自带电源的独立工作系统，控制系统必须满足低功耗设计要求。2 3 控制方式的选择类人机器人控制系统广泛采用的控制方式主要有三种：集中式控制方式、主从式控制方式和分散型控制方式。集中式控制方式由一个处理器单元控制系统中所有被控元素，完成系统的所有功能。处理器可以根据系统的全面情况进行控制计算和判别，并进行统一的调度。因此集中控制系统的优点是硬件成本较低，便于信息的采集和分析，整体性与协调性较好，但缺点是当被控任务数量增加时，系统的运行效率将下降，而且相互之间的信号干扰会使得系统故障率增高。这种控制方法为早期类人机器人制作广泛采用的一种方式。8第二币控制系统坝件设汁的总体规划主从式控制方式使用主、从两个处理器单元分层的对被控元素进行控制，整体性和集成度较集中控制方式要低。优点是从处理器的增加减轻了主处理器的控制任务，系统的运行速率显著提高，控制信号之间的干扰也相应减少。这种控制方法为现阶段人们比较认同的适合小型类人机器人的控制方式，例如，获得2 0 0 7 年r o b o c u p 类人组比赛冠亚军的r本、德国队机器人均采用这种控制方式。分散型控制方式是使用现场通信网络连接多个处理器单元的一种控制方法。这种方法把控制任务分散化，某一被控对象的故障完全不影响系统的其他部分正常工作，同时也简化了系统布线，当扩展系统时不需要改变原有的控制结构，具有很好的开放性。但这种控制方式硬件成本较高，控制系统集成度很低，适合于控制结构复杂的大型类人机器人系统，例如本田的a s i m o 。经过比较三种控制结构的优缺点，a f u 足球机器人控制系统选择了基于主从结构的分层控制方式。主处理器负责完成实时视觉信息处理、无线网络通信、决策及任务规划等上层任务；从处理器负责完成倾角传感器信息的采集及转换，对各个舵机的直接控制等下层任务。这种控制方式一方面把控制任务分层处理，使主处理器能更好的处理上层任务；另一方面有利于控制系统的安装及布线，减小了舵机控制电路对主控板的干扰，并能有效的保护制作成本较高的主控板的安全。2 4 控制系统处理器的选择2 4 1 主处理器的选择主处理器必须具有强大的运算能力以及较好的实时图像处理的能力，并且能够并行完成无线网络通信，决策等多项任务。这就要求所选用的处理器必须具有较高的工作频率，能够运行嵌入式操作系统，以实现其多进程、多任务的管理。i n t e l 公司推出的基于x s c a l e 内核技术的新一代嵌入式处理器p x a 2 7 0 是一个很好的选择。它兼容a r m 体系结构v 5 t e ，主频高达6 2 4 m h z ，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器【l l j 。p x a 2 7 0 处理器的q u i c kc a p t u r e 技术可以支持最高2 0 4 8 x 2 0 4 8 分辨率的4 0 0 万像素的图像拍摄和处理，同时具有2 5 m b s 的传输和处理速度。p x a 2 7 0 是第一款支持无线m m x技术的x s c a l e 处理器，这一技术提供的通用多媒体指令集能够加快多媒体和通信应用的处理速度。带有m m x 技术的c p u 特别适合于数据量很大的图形、图像数据处理【1 2 】【13 1 。因此，p x a 2 7 0 非常适合机器人实时视觉信息的采集与处理。p x a 2 7 0 还应用了i n t d 的无线s p e e d s t e p 动态电源管理技术，使得处理器可以根据系统实际需要，自动切换工作频率和电压，以降低系统功耗，从而有效提高嵌入式设备的智能电源管理性能。所以，选用该芯片做主处理器可以降低机器人系统的电能消耗，延长机器人工作时间。p x a 2 7 0 支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，具有丰富的外围接口，如u s bh o s t c l i e n t 、m m c s d 、c m o s c c d 、i d e 、l a n 、m e m o r ys f i c k 和u s i m 卡接口等，其结构框图如图2 4 所示。p x a 2 7 0 丰富的指令集和便于扩展的外围接口能给a f u 控制系9江南人学颂i j 学位论文统的软硬件设计带来很大方便。实n , t n , t 钟操作系统定时器4 路p w ml | i 断控制； 3 个s s ps i m 膏接u1 2 s 接ua c 9 7 音频接u通用串ui o蓝爿：接口高速红外接口u s b 从改符接u1 2 c 接um s l 接口键盘接um m c s d ，s d i o 口记忆棒接口u s bo t g 接ug p i o图2 - 4p x a 2 7 0 结构框图f i g 2 - 4b l o c kd i a g r a mo fp x a 2 7 02 4 2 从处理器的选择从处理器主要是要完成2 2 路舵机的控制以及传感器信息的采集、处理工作。对它的选择主要考虑以下几个方面：第一，首先要具有2 2 路及以上p w m 信号的输出能力；第二，为缩小控制器体积，处理器最好具有内部集成的模数转换功能，用来采集传感器数据；第三，自身要具有一定的程序及数据存储空间，避免存储器的扩展设计，提高系统稳定性：第四，处理器要有1 2 c 接口以及用于调试的串口；第五，要满足机器人系统所需的低功耗要求。a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 l 单片机能够很好的满足上述要求。a t m e g a l 6 l 是一款高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器，它具有如下特性【1 4 】【1 5 】：( 1 ) 具有先进的r i s c 结构：大多数指令执行时间为单个时钟周期；3 2 个8 位通用工作寄存器；只需两个时钟周期的硬件乘法器；工作于1 6 m h z 时性能高达1 6 m i p s 。( 2 ) 具有非易失性程序和数据存储器：1 6 k 字节的系统内可编程f l a s h ，擦写寿命1 0 ，0 0 0次；独立锁定位的可选b o o t 代码区，通过片上b o o t 程序实现系统内编程，真正的同时读写操作；5 1 2 字节的e e p r o m ，擦写寿命：1 0 0 ，0 0 0 次；1 k 字节的片内s r a m ；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。( 3 ) 具有j t a g 接口：符合j t a g 标准的边界扫描功能，支持扩展的片内调试功能通过j t a g 接口实现对f l a s h 、e e p r o m 、熔丝位和锁定位的编程。( 4 ) 外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器；一个具有1 0伽一一一一一一躜=耳叠，寒藕一，p 一，一_ l爱桀鼬篡兰藕) 0日女目一一ip|删器丫r啪撇微|洲默| | 卅热jr旨嚣舢|卜南li一一f|!|籼j一一m 臌一一一删黼溅器一| |，蓄儿、_)|笙三翌丝型墨竺竺竺壁生箜整堡丝型预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器；具有独立振荡器的实时计数器r t c ；四通道p w m ；8 路1 0 位a d c ；面向字节的两线接口；两个可编程的串行u a r t ；可工作于主机或从机模式的s p i 串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。( 5 ) 特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测；片内经过标定的r c 振荡器；片内片外中断源；6 种睡眠模式。( 6 ) i o 和封装：3 2 个可编程的i o 口；4 0 引脚p d i p 封装，4 4 引脚t q f p 封装，与4 4引脚m l f 封装。( 7 ) 工作电压：2 7 5 5 v 。2 5 控制系统整体结构的构建根据上述分析，构建a f u 控制系统的总体结构图如图2 5 所示。控制系统选用主从式控制结构，采用主、从控制器均具有的1 2 c 接1 ：3 进行通信，通信速率可达1 0 0 k b p s 吲，能够满足主板对从板舵机的控制以及倾角传感器信息采集的要求。图2 - 5 控制系统整体结构图f i g 2 - 5t h eo v e r a l1s t r u c t u r oo f t h ec o n t r o ls y s t e m主板以p x a 2 7 0 处理器为核心，工作频率选择在5 2 0 m h z ，扩展小封装s d r a m 和n o rf l a s h 存储器，以满足嵌入式l i n u x 运行对硬件的最小要求；串口以及j t a g 是嵌入式系统开发中必需具备的接口；扩展r j 4 5 以太网口用来下载内核及根文件系统，也可以满足后江南人学颂i j 学位论文期机器人有线联网的功能；扩展u s bh o s t 接口用术外接无线u s b 网卡，满足机器人与机器人之间、机器人与p c 之间无线通信的需要；扩展s d 卡接口用于存储需要动念加载的系统驱动程序、应用程序及其他数据，方便机器人系统与p c 机等外部设备进行频繁的数铡交换；扩展摄像头接口用于外接机器人视觉传感器，实现其实时动念图像采集的功能；电源电路是系统工作的基础，机器人供电系统为7 4 v 的锂电池，要采用高集成度的电源转换j 乜路满足处理器及外设的供电需求，另外，为使控制系统最小化，各外设信号线均只是引出皇0 针插，具体使用时根据需要，外接标准接口。从板以a t m e g a l 6 l 单片机为主体，除单片机工作所需的电源及时钟电路外，扩展i s p接l j ， j 于单片机程序的烧写；扩展串