（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的足球机器人底层控制系统设计.pdf

摘要 机器人足球比赛是一项全球性的高科技竞赛项目，举办机器人足球 比赛的目的在于通过提供一个标准任务，促使研究人员利用各种技术获 得更好的解决方案，从而有效地促进相关科研领域的发展。 足球机器人系统的研究不仅涉及机械电子学、机器人学、传感器信 息融合、智能控制等技术，还涉及通讯、计算机视觉、计算机图形学、 人工智能等各个领域。 r o b o c u p 小型组是机器人足球比赛的一种，它采用全局视觉和无 线通讯方式，由双方的主控机控制各自的五个机器人在特定的场地条件 和规则约束下进行比赛 本论文介绍了r o b o c u p 小型组机器人足球系统的基本结构扣工 作原理，设计了基于d s p 的机器人底层控制系统，以c c s 2 o 为工具开 发了机器人足球比赛程序，同时引入了数字p i d 控制算法。 关键词：r o b o c u p 小型组机器人控制系统 d s p 数宇p i d 光电编码器 a b s t r a c t r o b o ts o c c e rg 跏ei saw o r l d 、村d eh i g 上1 t e c hc o m p e t i t i o ns u b e c t t h e g o a l t o h o l d t h eg a m e i s t oa p p l yas t a n d a r d ( 1 u e s t i o n t h er e s e a r c ho fr o b o ts o c c e rs y s t e mi n v o l e sn o to m y 血et e c l l i l o l o g i e s i nm e c h a 工l i c s - e l e c t r o n i c s ， r o b o t i c s ， s e n s o ri n f 0 肿a t i o nm s i o n ，a n d i m e l l i g e mc o n 订0 1 ，b u ta l s oi nc o m m u l l i c a t i o n ，c o m p u t e rv i s i o n ，c o m p u t e r 汀a p h i c s ，a r t i f i c i a li n t e l l i 窟e n c ea 【l do t t l e rd o m 血s r o b o c u ps m a l l s i z el e a g u ei so n eo f t h ek i n d so f r o b o ts o c c c rg 锄e s ， i nw h i c h 也et 、v ot e a m s c o n 仃o l l i n gc o m p u t e r st oc o m m ln l e i ro w n5 r o b o t p l a y e r s ，b ym e a l l so fa d o p t m gg l o b a lv i s i o na 1 1 dr a d i o c o m m u n i c a t i o nn l o d e ，t op l a ym eg 锄eu n d e rt h eg i v e nn e l dc o n d i t i o na n d r u l e s i n l i sp 印e rw ep r e s e n tt 1 1 eb a s i cs t n l c t i l r ea n dp 血c i p l eo ft h e r o b o c u ps m a l l s i z el e a g u er 0 b o ts o c c e rs y s t e m ，d e s i 觋ad s p b a s e d c o n n d ls y s t e mo f s m a l l s i z er o b o t ，a 1 1 dd e v e l o pas e to f m a t c hp r o g r 唧w i t h v c + + n e t m e a i l w h j l e ，w ea n a l ”ea n dd i s c u s ss e v e r a ls 订a t e g va l g o r i t h m s k e yw o r d s ：r o b o c u ps m a ii s i z ei e a g u e d s p r o b o tc o n t r o ls y s t e md i g i t a ip l d p h o t o e i e c t ri cc o d e r 1 1 概述 第一章绪论 机器人足球比赛是近几年开展起来的高技术学术活动，足球机器 人是一个极富挑战性的高技术密集型项目，它融小车机械、机器人 学、机电一体化、单片机、数据融合、精密仪器、实时数字信号处 理、图像识别与图像处理、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，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和对抗提供了生动的研究模型。它通过提供 一个标准任务，使研究人员利用各种技术来获得更好的解决方案，从 而有效促进各个领域的发展。其中的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 等各方面的发展。机器人足球比赛的设想是由加拿大不列颠哥伦比亚 大学的a l a l lm a c k w o n h 教授在19 9 2 年的报告o ns e e i n gr o b o t s 中首先提出的。r o b o c u p 是t h er o b o tw o r l dc u ps o c c e rg a i l l e s 即机 器人足球世界杯赛的缩写，是由国际人工智能协会组织的全球性高科 技竞赛项目。1 9 9 7 年8 月2 5 日，第一届机器人足球世界杯赛在日本 名古屋举行，拉开了机器人足球比赛和研究活动的序幕。此后， r o b o c u p 每年都举办一次国际比赛和相关的学术交流活动，参加的队伍 也越来越多。 r o b o c u p 足球比赛( r o b o c u ps e n ，e r ) 的主要项目包括： 1 、仿真组( s i m u l 撕0 1 1 ) 比赛：这种比赛是以c l i e 州s e r v e r 方式进行 的，没有实际的机器人硬件。双方将各自的比赛程序通过u d p i p 连接 到服务器( s e r v e r ) 上，通讯通过u d p i p 端口实现。比赛采取1 1 对1 1 的 规模，主要是为了模仿人类足球赛的形式，比赛规则也与人类足球赛 类似。仿真组比赛为实物组比赛的策略制定提供理论依据和试验平 台，是进行机器人控制理论研究的重要手段。图1 1 为仿真组比赛现 场。 图1 1r o b o c u p 仿真组比赛现场 2 、小型纽( s m a i i s i z e ) 机器人比赛：这种比赛采用5 对5 的规模， 以实物机器人的形式进行。比赛有场地、球、队员和裁判，队员有各 自的队伍标志和号码标志。双方通过安装在场地上方的摄像机获得赛 场信息，再由主控计算机以无线通讯的方式发出命令控制每个机器人 的动作。比赛的开始和停止命令由场外的裁判盒通过计算机串口发 出。图1 2 为小型组比赛现场。 图1 2 小型组比赛现场 3 、中型组( m i d d l e s i z e ) 机器人比赛：也称为f _ 2 0 0 0 ，这是一种采 用独立视觉的机器人足球比赛，场地长度为8 米到1 2 米，宽度不小于5 米。单个机器人( 小车) 的地面投影尺寸不超过5 0 x 5 0 c m ，重量限制在 8 0 公斤以内，视觉和其他传感器以及带有决策程序的主机全部携带在 机器人身上，上场的机器人数量不超过4 个。这种比赛规模较大，场面 壮观，由于机器人彼此独立，通讯也只能在机器人之间进行，因此更能 体现机器人的智能，如图1 3 所示。 图1 3 中型纽比赛现场 4 、s 吖有腿( l e g g e d ) 机器人比赛：这种比赛采用四足机器人 ( 机器狗) 在6 米x 4 米的场地上进行足球比赛，双方各有4 个s o n y a i b o 机器狗出场，比赛没有人的干预，也不受场外计算机的控制。每 个机器狗具有各自独立的视觉系统和决策系统，并具有相互配合和协 作的能力，彼此通过无线通讯方式交换信息。一般由场地边界或场外 的某些颜色标志为机器狗的视觉提供定位依据。比赛要求使用日本 s o n y 公司的系列四足机器人，如图1 4 所示。这种机器人结构复杂， 控昔碓度大，充分显示了s o n y 公司的技术优势。 目1 4 s o n y 四腿( l e g g e d ) 机器人比赛现场 5 、人形( h u r n a n o i d ) 机器人比赛：这种比赛旨在展示能够参加足 球比赛、高度为4 0 c m 至1 8 0 c m 的独立人形机器人，主要测试和考察 机器人的运动性能和对抗能力。比赛内容包括单腿站立能力、行走能 力，罚球能力( 射门及守门) 和自由动作等，比赛中的对象有相应的 颜色作为标识。2 0 0 4 年的里斯本比赛中有1 6 个队参加了人形机器人角 逐图l - 5 为比赛现场。 4 图1 5 人形( h u m a n o i d ) 机器人比赛 小型组比赛介绍： r o b o c u p 小型组，是规模为5 对5 的实物形式比赛，由于比赛 规则要求比赛用机器人要能够放入一个直径1 8 0 毫米的圆筒内，所以 小型组也称为f 一1 8 0 组。比赛双方各有五名队员上场，其中一个作为 守门员，场地的尺寸为2 8 米x2 3 米，材质为绿色的地毯或毛毡，四 周有木质围墙作为边界。场地中心上方3 米高左右架设作为系统视觉 的摄像机，每个队由一台p c 机作为主控机，以无线通讯方式控制场上 的机器人，并通过串口接收场外裁判盒发来的命令( 如开始、停止、 开球、罚球、任意球等) 控制比赛进程。比赛过程中除裁判外任何人 不得靠近场地和机器人。比赛分上下两个半场，每个半场各1 0 分钟， 中场休息5 分钟并交换场地。比赛使用重量为4 6 克、直径4 3 毫米的 橙色高尔夫球，每个队员都有表示本队和自身号码的颜色标志。 r o b o c u p 小型组的比赛场景如图1 6 所示。 图1 6r o b o c u p 小型组的比赛场景 在国内外一些学校设计的r o b o c u p 小型组足球机器人底层控制 系统大多采用单片机作为主控芯片，例如清华大学的r o b o c u p 小型 组足球机器人底层控制系统采用的主控芯片是m s p 4 3 0 单片机，它的 p w m 输出口少不能同时控制多个电机，这样，使用多片m s p 4 3 0 会使 底层控制系统电路变的复杂。 1 2 论文的主要内容 本文对r o b o c u p 小型组足球机器人底层控制系统有两方面的设 计。 ( 一) 硬件电路的设计 足球机器人的底层控制系统的硬件电路设计主要有以下几方面： ( 1 ) 运动命令的数字信号采集 ( 2 ) 电源电路的设计 ( 3 ) 电机的驱动电路设计 ( 二) 控制算法的实现 运用数字p i d 的方法来实现足球机器人的运动控制【2 3 1 。 6 第二章足球机器人系统分析 2 1 足球机器人系统组成0 4 小型组足球机器人系统包括机械系统、底层控制系统、视觉系 统、无线通讯系统和决笨系统五个部分组成 足球机器人组成框图如图2 1 2 2 机械系统 图2 1 足球机器人组成框图 机械系统主要包括机器人车体、两个车轮、齿轮传动机构、踢球 机构、控球机构和四个直流电机。四个电机当中两个控制左、右两个 车轮，其余两个分别控制踢球机构和控球机构。机械子系统是足球机 器人的执行机构，是实现前进、后退、转弯、带球、踢球等技术动作 的物质基础。机器人机械性能的好坏，直接关系到机器人的技术发挥 和比赛的胜负。 2 3 底层控制系统 底层控制系统主要由底层控制电路和在底层c p u 中运行的程序组 成底层控制电路包括c p u 、存储器、供电模块、无线通讯及接口电 路、电机驱动电路和状态显示电路。底层程序负责完成无线命令信号 的接收，串口信息的管理、存储、分配、解释，报警以及驱动信号的 发送等等，是一个相对独立的子系统足球机器人底层控制系统的基 本框图如图2 2 所示。 图2 2 机器人底层控制系统 底层控制系统是机器人的控制中心，它要将来自主控机的命令数据接 收到缓冲区，再翻译解释成对当前机器人左右两个车轮的p w m 控制 信号以及踢球和控球电机的开关信号，从而驱动执行机构完成主控机 对机器人下达的命令。控制电路要为电机提供恒定的直流电压，同时 要保证准确、实时地接收和处理数据，因此，控制系统要具备 生能先 进的c p u ( 例如d s p 芯片) 、稳定可靠的驱动芯片、准确灵敏的无线 接收模块和设计合理的控制电路。 2 4 视觉系统 视觉系统既图像采集系统是机器人的眼睛。分为硬件和软件两部 分。硬件由悬挂在球场中圈上空3 米的摄像头和安装在主控机内的视 频采集卡组成负责完成比赛场地图像的实时采集和处理任务。本足 球机器人系统所用的摄像头是韩国三星公司生产的s d c 一4 l od i g i t a l c o l o r c a m e r a ，图像分辨率为6 4 0 4 8 0 。其性能如表2 1 所示。 表2 1s d c 4 1 0 性能表 扫描特性n t s cs t a n d a r d ：5 2 5l i n e s ，3 0f h m e s ，s e c 图像设备 i n t e r l i n en a n s f h s u p e rh a dc c d ，4 1 0 ，0 0 0p i x e l s c c d 尺寸1 3 1 1 1 c h ( 英寸) 有效的图像7 6 8 ( h ) x4 9 4 ( v ) 隔行扫描 2 ：1i n t e r l a c e 扫描频率h o r i z o m a l ：1 5 7 3 4 k h z 1 5 7 5 0 k h z ， v e n i c a l ：5 9 9 4 h z 6 0 h z 图像分辨率 h o r i z o n t a l ：6 4 0t vl i n e s 。v e n i c a l ：4 8 0t v l 如e s 视频输出级别v b s1 o v p p ( 7 5o h m s ，c o m p o s i t e ) 图像最小明暗度 0 5 l u 】( f 1 2 ( 5 0 i r e ) 镜头标准 c c sc o m p a t i b l e 输入输出接口型 b n c ( r e a r ) ，a il e n s ： 4 一p i nd i n ( s i d e ) p o w e r ： 号2 p i n t 咖 电源a c2 4 v 6 0 h zo rd c1 2 v ( 3 5 w ) 尺寸6 5 ( w ) x5 2 f h ) x 1 3 3 ( d ) m m ( 2 6 5 ”x2 0 5 ”x 5 2 4 ”、 重量 a p p m x 4 5 0g ( 1l b ) 视觉系统的软件主要完成对数字图像的阈值化、分割、去噪声和增 强等处理，再将图像的特征信息( 球、各个机器人在场上的位置、速 度、方向等) 送到决策子系统进行识别和判断以形成决策。视觉系统 的工作流程如图2 3 。 比赛场景 图2 3 视觉系统的工作流程 2 5 无线通讯系统 无线通讯系统由连接在主控计算机串行口上的无线发射模块和机 器人底层控制电路板上的无线接收模块组成，负责按照规定的频率和 协议，把来自主控计算机的决策控制命令传送到命令执行者一一机器 人上去，无线通讯系统示意如图2 4 所示。 1 0 图2 4无线通讯系统示意搿 通讯协议一般包括波特率、同步异步方式、数据格式、校验方式 等，携带控制命令的数据包经过接收后，以事先约定的格式保存在机 器人底层c p u 的缓冲区内，供c p u 进行解释、转换和分配，以形成 相应的机器人控制信号。 2 6 决策系统 决策系统是运行在主控计算机上的决策程序，它通过接收来自裁 判盒的信息来控制场上机器人的启动与停止。决策程序能够根据实时 读取的视觉信息对不同的比赛形势做出判断，制定出相应的决策方 案，形成对场上机器人的控制命令，并立即将控制命令发送至无线通 讯模块。决策系统的完整性和适应性对于比赛的胜负起着决定性的作 用，科学合理的决策机制能够充分发挥其他系统的良好性能。决策系 统应包含一个对各种比赛形势进行相应处理的决策库，作为主程序形 成决策方案的资源数据。决策子系统体现了设计者的决策思想扣比赛 意图，是人的足球智慧在机器人身上的直接反映。 2 7 本章小结 简要介绍了r o b o c u p 小型组足球机器人系统的基本结构和工作原 理，分析了各个系统的基本作用和功能，并指出了影响系统性能的主 要因素机器人系统的运行需要各个子系统的正常工作和相互配合， 任何一个系统的功能故障都会导致整个系统的失灵甚至瘫痪，因此， 认真分析外界环境因素对系统的影响，从总体上把握系统各部分之间 的依存关系，对于设计和开发功能完善的足球机器人系统十分重要。 第三章底层控制系统硬件设计 3 1 系统框图 足球机器人是一种典型的多任务、多状态的实时信号处理系统， 既要实现系统的基本功能，又要考虑实际比赛环境变化对系统性能的 影响，尤其是机器人底层控制系统对于机器人性能的影响是很大的。 底层控制系统框图如图3 1 。 无线接收li 电源电路ll 时钟电路 电平转换 d i p 选择开关 5 v3 3 v x t a l lx t a l 2 p 删l i p 州2 t m s 3 2 0 i f 2 4 0 7 ai o p d l 1 0 f i o p c 0 e p l q e p 2q e p 3 q e p 4 l 左轮光电ii 右轮光电i l 塑里堡ii 塑里壁i 图3 1底层控制系统框图 硬件设计时将f 2 4 0 7 的1 0 p c 口设置成输八模式并连接到d i p 选 择开关，作为机器人编号的选择端口。系统初始化后立即扫描1 0 p c 端口，根据读取的数值确定当前机器人编号，待接收到串口数据包时 按照通讯协议提取与此编号相对应的控制命令，再将命令转化为控制 左右轮电机的p w m 信号和踢球控球电机的信号。光电编码器输出的 一一一一一一一 脉冲信号直接进入正交编码脉冲电路( q e p ) 进行计数并判定电机旋 转方向，再与p w m 输出的数值相比较，以此对车轮转速进行补偿并口调 整，使机器人在保持决策命令速度的前提下平稳运动c p u 以中断的 方式接收来自s c i 的命令数据，当有新的一组数据到来并校验正确 时，触发中断，中断服务程序完成命令的提取、分析和解释，并转化 成p w m 信号和或踢球控球信号输出后，再次打开中断等待新的命令 数据。 3 2 芯片选型 底层控制系统主要应用的芯片： 3 9 5 2 s w 、b i m - 4 3 3 f 、a 3 9 5 8 s b 、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 、m a x 6 0 3 、 i a x 6 0 4 、m a x 2 3 2 系统的主控c p u 芯片选为t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。如图3 2 。 图3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的外观 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 1 5 6 7 j 芯片的特点： 1 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了功 耗：3 0 m p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s 。 2 基于，i m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列 d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 1 4 3 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序 r a m ，5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单口r a m 4 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时 器，8 个1 6 位的脉宽调制通道，它们能够实现：三相反相器控制； p w m 的对称和非对称波形；当外部引脚p d p i n t 出现低电平时快 速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时 输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路；1 6 通道 a d 转换器事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流 电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 5 可扩展的外部存储器是1 9 2 k 字；6 4 k 程序存储器；6 4 k 数据存储 器：6 4 k j o 寻址空间。 6 看门狗定时器模块。 7 1 0 位d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器 来触发的两个8 通道输入a d 转挟器或一个1 6 通道输入的d 转 换器。 8 控制器局域网模块。 9 串行通信接口。 1 0 基于锁相环的时钟发生器 1 1 4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。 12 5 个外部中断源。 13 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功 耗模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的内部结构： 如图3 3 。 图3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的内部结构图 b i m 一4 3 3 一f ： 无线接收模块用的是r a d i o m e t x 公司的b i m 一4 3 3 一f 双向通讯 模块，由b i m 一4 3 3 一f 芯片、m a x 2 3 2 、7 4 l s 0 4 非门、k a 7 8 0 5 三端稳压 电路组成射频收发模块，本足球机器人通信系统只是单向系统即机器 人硬件板上的是具有接收功能，上位机用的是发送功能，它有1 8 脚， 6 工作频率是4 3 3 删z ，工作电压是2 7 v “2 v ，数据最高传输速率为 4 0 k b p s ，在室内传输距离是3 0 米，室外可达1 2 0 米。 射频模块示意图如图3 4 。 图3 4 射频模块示意图 管脚说明：l 、3 脚r f g n d 接地，2 脚a n t e n n a 天线，4 、5 、 6 、7 、8 脚不用，9 、1 0 、1 8 脚g n d 接地，i l 脚c d ，1 2 脚r x d ，1 3 脚a u d l 0 ，1 4 脚t x d ，1 5 、1 6 脚t x s e l ，r x s e l ，1 7 脚v c c 。 其中射频收发模块的第1 5 和1 6 引脚作为选择射频模块是发送模块或者 是接收模块，其方式如表3 1 所示。 表3 1 射频模块发送、接收功能表 1 51 6功能 1 l 降低功率 1o允许接收 o1 允许发送 o0 自我检测 k a 7 8 0 5 作为电压转换芯片，输入为+ 1 2 v 的电压，输出为+ 5 v 的电 压，主要作为稳压芯片，为射频发射模块和m a x 2 3 2 以及7 4 l s 0 4 提供 7 输入电压。其封装图如图3 5 所示。 图3 5k a 7 8 0 5 封装图 k a 7 8 0 5 内部电压转换图为图3 6 。 输 图3 6k a 7 8 0 5 内部电压转挟图 7 4 l s 0 4 作为一个反相器，在射频收发模块中给b i m 4 3 3 一f 、m a x 2 3 2 k a 7 8 0 5 等芯片提供反相的电平控制信号。它的功能是输入低电平信号 输出的是高电平信号。 m a x 2 3 2 ： 其功能主要作为将r r l ，c m o s 电平和r s 一2 3 2 电平转换的一个芯 片，实现p c 机和射频模块通信，共有四路电平转换电路，根据不同情 况选择不同的电路连接。 其中m a x 2 3 2 示意图如图3 7 所示。 c 1 + v + c 1 一 c 2 c 2 一 v t 2 翻i t r 2 拯l 图3 7m a x 2 3 2 示意图 m a x 2 3 2 内部电路图如图3 8 。 v o c g t 1 m m i n m a 哳 t 1 l 树 t a n r 2 0 u t 图3 8m a x 2 3 2 内部电路图 m b x 6 0 3 、m a x 6 0 4 ： 5 v 3 3 v 或可调、低压差、低i 。、5 0 0 m a 线性稳压器。 m a x 6 0 3 、m a x 6 0 4 应用如图3 9 。 图3 9m a x 6 0 3 、m a x 6 0 4 应用图 m a x 6 0 3 、m a x 6 0 4 的应用： 1 2 5 v 至l l v 可调节的稳压器 5 v 和3 3 v 稳压器 汽车电子仪器 寻呼机及蜂窝电话 便携式仪表 太阳能供电仪表 a 3 9 5 8 s b ：a 3 9 5 2 s w 全桥脉宽调制电流控制电机驱动器是a l l i g r om i c r os y s t e m s 公司 发布的一种新的连续控制直流电机驱动i c 。a 3 9 5 8 s b 和a 3 9 5 8 l b ，这 是具有处理2 a 的连续的电流的能力的驱动器，h 一电桥，工作电压为 5 v 的芯片。a 3 9 5 8 s b 的d m o s 输出晶体管特点是具有低的r d s 等级 和在p w m 同步调整期间的低功率消耗。a 3 9 5 8 s b l b 通过3 线串口允 许最大限度的灵活性，内部p w m 电流控制电路系统可匹配电机驱动 的要求。同样，通过编程的串口可以是快速的，缓慢和混合的电流衰 衰减方式，当不使用时，a 3 9 5 8 s b l b 采用a l l e g r 0 的新a b c d 3 制造 工艺。a 3 9 5 8 s b 采用2 4 针双列直插封装，a 3 9 5 8 s b 是2 4 引线的小型 集成电路，两种包装都有改进的铜散热片。a 3 9 5 8 s b 内部电路如图 3 1 0 c p 2 c p p h a s e o s c g r o u n d g r o u n d g r o u n d g r o u n d l o g | c s u p p l _ y e n a b l e d a t a c l o c k c p v k e o r a n g e o u t 日 l o a d s u p p l y g r o u n d g r o u n d s e n s e o u l _ m o d e r e f s t r o b e t ) 忡目p 斗o b 一 图3 1 0a 3 9 5 8 s b 内部电路图 3 3 单元电路设计 底层控制系统中的单元电路主要有信号采集电路、电源电路和电 机的驱动电路。 3 3 1 运动命令字的数字信号采集电路 运动命令字包括运动控制字、动作控制字以及电机的速度和角 度。运动控制字定义如下： 1 ：前进( 直线或圆弧或旋转) ：q 立q 立，则后边的两个字节分别为左 右轮的速度 左右轮的速度有正负，以此决定电机正反转，速度量同正负同大 小则机器人走直线，同正负不同大小则机器人走圆弧，同大小不同正 负则为机器人原地旋转。 2 ：左轮转，右轮不动：立q 立l ，则后边的两个字节分别为速度和角度 左轮转的含义是使机器人绕右轮转过一个角度。 3 ：右轮转，左轮不动：旦ql 立，则后边的两个字节分别为速度和角 度。 4 ：机器人原地转一个角度：垒q 王旦，则后边的两个字节分别为速度乖 角度。 动作控制字定义如下： 后四位字节中的第一位( 即这个控制字节的第5 位) 为l ，则机 器人停止电机控制。 后四位字节中的第二位( 即这个控制字节的第6 位) 为1 ，则底 层继续执行上一帧的命令。 后四位字节中的第三位( 即这个控制字节的第7 位) 决定控球 ( 1 ) 和停止控球( 0 ) ，而踢球的时候必须停止控球。后四位字节中 的第4 位( 即这个控制字节的第8 位) 决定踢球( 1 ) 。 速度定义如下： 速度的大小从一1 2 7 到1 2 7 ，正负代表正反转，因此速度控制的 量是o 一1 2 7 。电机每转一圈，车轮最外缘的线位移为3 3 m m ，所用电 机的空载转速是每秒1 5 0 转( 每分钟9 0 0 0 转) ，规定如果对机器人的 速度指令为x ( o x _ 1 2 7 ) ，则电机每秒转x 圈，线速度为1 6 5 2 m m 每秒，这样最高速度1 2 7 代表每秒线速度2 0 9 5 5 2 m m 每秒。如 速度为零，则电机刹车。 角度定义如下： 角度的大小从0 到1 8 0 ，如果对机器人的角度指令为x ( o 旦： 竺 ：1 1 7 2 r m m ：x 7 02 0 4 8 x2 5 o 0 0 l 实际系统中，不仅要计算转速的大小，还要知道转速的方向，具 体做法是：光电码盘输出两路互差9 0 。的脉冲信号作为d s p 正交解码电 路( o e p ) 的输入，方向是通过检测两个序列哪一个先到达，d s p 捕 获的是码盘输出脉冲，而不是经正交解码电路( q e p ) 后的四倍频信 号决策系统通过无线通讯模块向每个机器人发送的是8 位的p w m 调制信号，最大调制值为1 2 7 ，电机的光电编码器为5 1 2 线，机器人的 最大运动速度计算如下：每分钟的最大脉冲数：1 2 7 1 0 0 0 6 0 = 7 6 2 0 0 0 0 p u l s e m i n 电机的最大转速：7 6 2 0 0 0 0 2 0 4 8 = 3 7 2 1 r p m 减速比为 l ：6 ，车轮最大转速：3 7 2 l 6 = 6 2 0 转分车轮半径3 1 5 m m ，因此最大 线速度为6 2 0 3 1 5 2 。7 【= 1 2 2 7 1 1 m m m 证即1 2 2 7 1 1 l 0 0 0 6 0 = 2 0 4 5 n 1 s 系统的每个控制周期为，= 3 3 _ 3 m s ，所以机器人的最大运动 速度也可以表示为： 。= 2 0 4 5 3 3 _ 3 = 6 8 0 9 8 5 i i l l 7 t 不考虑实际p w m 控制的非线性，足球机器人的p w m 调制值与速 度可以用简单的比例关系确定下来，即1 个p w m 值，对应机器人在 每个周期运动6 8 0 9 8 5 1 2 7 = 0 5 3 6 i n m 。 4 4 3q e p 电路： 增量式光电编码器是电动机控制中的常用传感器，用于测量电机输 出的角位移和转速等信息，作为闭环控制的反馈量。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 提供了与这种编码器的接口电路。以事件管理器a 为例，它的编码器 接口电路使用了定时器2 作为可逆计数器，计编码脉冲的个数，编码脉 冲通过2 个引脚q e p l ，c a p l 和q e p 2 c a p 2 输入到芯片内部，这两个引 脚是与捕捉单元1 、2 复用的引脚，因此在使用编码器接口电路时，要 禁用捕捉功能编码器接口电路利用输入编码脉冲的4 个边沿加工成4 倍频的计数脉冲信号和计数方向信号，如图4 7 ，4 倍频的计数脉冲信 号有利于提高电机角位置和角位移信号的分辨率计数方向信号自动 地控制定时器2 的计数方向，而计数方向引脚t d i r a 这时不起作用。 q e p i 引脚 q e p 2 引脚 4 倍颠计数 脉冲 厂 厂 l 厂 厂l nnr 几nnnr r r 莒数方向信j ；_ 兰兰兰一 t 图4 7q e p 电路信号图 当引脚q e p l 输入的编码脉冲超前q e p 2 引脚输入的编码脉冲9 0 。相位 时，定时器2 增计数；当引脚q e p 2 输入的编码脉冲超前q e p l 引脚输入 的编码脉冲9 0 。相位时，定时器2 减计数。当定时器2 计数到与周期寄存 器2 的比较值相等时，或计数到与定时器2 比较寄存器的比较值相等 时，或定时器2 发生上、下溢时，都有可能会引发中断。对增量式编码 脉冲电路寄存器的设置如下： 在e v a 模块中将所需的值装载到定时器2 的计数器、周期和比较寄存器 中，设置t 2 c o n 为定向增减计数方式，编码脉冲电路作为时钟源， 并允许定时器2 。 4 5 程序设计与调试 底层软件程序包括： 1 ) 系统初始化：对d s p 芯片内部的各种功能寄存器、定时器、计数 器、i o 口、中断控制器等进行初始化设置，并扫描1 0 p c 口以确定机 器人编号。 2 ) s c i 接收( 串口接收) ：数据接收完整并无误后存入缓冲区，同时 触发中断。 3 ) 中断服务子程序：对接收到的数据进行翻译解释并转换成给左右轮 的p w m 信号输出。 4 ) 光电编码器信号接收处理，车轮转速及方向计算，数字p l d 速度修 正。 程序流程图如图4 8 所示。 图4 8 程序流程图 4 5 d s p 系统初始化包括s c i 模块初始化、p w m 模块初始化和q e p 模块初始化，是系统功能得以实现的基本条件，程序如下： s y s i n i t ：s e t ci n t m c l r cs x m c l r co v m c l r cc n f l d p 拌o e o h s p l k 撑8 3 4 e h ，s c s r l s p l k 撑0 e 8 h ，w d c r s p l k 撑0 f f 0 0 h m c r b s p l k 撑0 f f f f h m c i 乙凸l s p l k 群o f f f f h m c r a s p l k 撑0 0 0 0 h p c d a t d i r c a l ls c ii n i t c a l lp ，mi n i t c a l lq e p i n i t l d p 撑0 h s p l k # 0 0 0 3 h s p l k 拌o f f f f h i f r r e t s c ir n i t ： l d p 捍o e l h l a c lm c r a o r 撑0 2 h s a c lm c r a l d p 拌d pp f l s p l k 群o o o f h s c i c c r p w mi n i t s p l k 撑0 0 0 5 h ，s c l c t l l s p l k1 ； o 0 0 2 h s c i c t l 2 s p l k 群0 0 0 1 h s c i h b a u d s p l k 群0 0 0 3 h ，s c i l b a u d s p l k 撑0 0 2 5 h s c i c t l1 l a ra r l 撑s c i r x b u f l a ra r 2 群r x dp t r l d p 拌o s p l k 撑0 0 0 3 h i m r s p l ko f f f f h i f r c l r ci n t m r e t l d p 弹d pp f 2 l a c lm c r a o ro o d f h s a c lm c r a l d p 存d pe v a s p l k 拌0 f f f f h e v a i f r a s p l k ! o o a a h ，a c t r a s p l k 拌o o h ，d b t c o n a s p l k 捍6 0 h ，t 1 p r s p l k 捍o a 6 0 0 h ，c o m c o n a s p l k 捍o ，t l c n t s p l k 捍4 1 h ，g p t c o n a s p l k 拌0 1 2 c 4 h ，t 1 c o n c l r cn n t m 4 7 q e p i n i t r e t l d p 群d pp f 2 l a c lm c r a o r 0 0 1 8 h s a c lm c r a l a c lm c r b o ro o l 8 h s a c lm c r b s p l k 群0 a d 4 h t 2 c o n s p l k 存0 0 f c h c a p c o n a s p l k # o a d 4 h t 4 c o n s p l k 捍o o f c h c a p c o n b c l r ci n t m r e t t m s 2 0 0 0 系列d s p 的集成调试环境： n i s 2 0 0 0 系列d s p 的集成调试环境如图4 9 所示，编制好的 d s p 汇编程序需要添加到自己创建的工程项目当中才能编译和调试。 图4 9d s p 的集成调试环境如图 d s p 的程序包括三个主要的文件： c c 源文件或+ a s m 一一汇编源文件，工程管理器将对这类文件 进行编译和连接； + o b j 或l i b 一一目标或库文件，工程管理器将对这类文件进行编译 和连接： + c m d 一一连接命令文件，工程管理器在连接各个文件时根据此文件 分配系统的程序空间、数据空间和i ，o 空间。 对头文件和在程序中用i n c l u d e 引用的文件，工程管理器会自动加入 调试程序的步骤： 1 创建一个新工程； 2 将文件添加到工程中； 3 编译连接和调试程序； 4 编译连接成功后，需将生成的o u t 文件下载( l o a d p r o g r a m ) 到开发 板上才能对程序进行仿真调试。调试过程中，可