双足竞步窄足技术报告.doc

2014中国机器人大赛暨robocup公开赛2014中国工程机器人大赛（robot at work）技术报告参赛学校 队伍名称 参赛队员 带队教师（姓名/联系方式） 参赛项目 中国机器人大赛暨robocup公开赛（工程类项目）组委会中国工程机器人大赛组委会2014年8月填写说明1、凡参加此次工程机器人大赛比赛的参赛队伍必须填写本技术报告。2、现场报到时，将申报书的电子档和纸质档提交至大赛组委会。3、本书应该填写完整、内容详实、表达准确，数字一律填写阿拉伯数字，英文一律为times new roman。4、填写本技术报告时，各项内容字数不得少于规定字数。5、打印格式与装订（1）纸张为a4大小，双面打印；（2）文中小标题为四号、仿宋、加黑；（3）栏内正文为小四号、仿宋；关于技术报告使用授权的说明 本人完全了解2014年中国机器人大赛暨robocup公开赛（工程类项目）&2014中国工程机器人大赛（robot at work）关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会所有，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。 参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期：2014年10月9日 一、作品简介（研究内容、目标、完成情况概述）研究内容和目的以及完成情况第一部分（包括研究内容、目标、完成情况、国内外情况等四部分内容）总计不得多于2页研究内容：双足步行机器人（窄足方向）目标：以自己独立设计的电路板做控制板，通过独立编程，实现机器人的步行、弯曲、前后翻、拐弯等功能。完成情况：经过组装、编程、调试，已能够顺利实现弯曲、步行、前后翻、拐弯等一系列动作。相关研究国内外情况概述国外双足机器人的研究早在上世纪80年代就已形成热潮，并且提出了许多系统的建模及控制的理论和方法。我国在这方面的研究还比较零散，很多研究都集中在机器人的步态控制上，完整的动力学建模还较少涉及，这有待于我们进一步的努力。在双足机器人的建模研究中，国外针对不同的自由度提出许多值得借鉴的思想和方法。上世纪70年代的多体动力学发展简化了多体系统的建模方法，使建立的模型更适用于计算机编程及实时控制，很多工业机器人都是用这种方法建模的，缺点是力学模型的建立及控制模型的建立是分开的，所以把力学模型转化为控制模型过程很繁琐，由于双足机器人对控制系统的高要求，所以用这种方法对其进行建模的论文很少。80年代，这个问题被更多人关注，于是发展了一批适用于双足机器人的建模方法。m.c等人在1989年提出一种直接非线性解藕法( dndm)，这种方法的思想是用经过修正的lagrange方程建立动力学方程并在其上做适当的变换从而得到解藕的控制方程。p.s等人在1998年的一篇论文中建立一个达12个自由度的机器人动力学模型时，提出了用优化的有关理论来建立模型的方法，这种方法主要是对步态进行优化，然后把建立的优化方程直接用计算机进行仿真计算，从而得到机器人的特性参数。随着这些方法的发展，双足机器人的模型也越来越复杂，从简单单自由度被动式机器人到拥有多达17个自由度的主动式机器人都已经问世，其中后者基本上可以完成行走、转向、小跑等动作。在控制系统的设计上也诞生了很多有特色的方法，计算法由力学方程得到控制方程，这种方法要求详细知道系统的结构参数，否则不能有很好的效果，它经常和pd控制法、pm控制法结合在一起使用;鲁棒性控制法其控制系统参数有高度的低敏感性、抗干扰性。当无法确切知道系统的结构参数时，这种方法可以有相当的准确性和稳定性。自适应控制法这种方法在机器人的关节和脚上加上一些传感器，根据传感器的数据调整关节和脚上的力和力矩以达到实时控制。 国内的研究中对建模理论的系统研究很少，但在步态研究和控制研究方面却很擅长，并且很有创新，如张克等人提出的用小波神经网络来控制双足机器人的步态，还有柳洪义等人在机器人脚触地所带来的冲击进行较为详细的研究。总之，现在的双足机器人正在和人工智能、计算机、新材料等高技术领域相结合。随着机构和控制复杂度的提高，其建模方法除了理论上的不断完善之外，也越来越依靠许多很有名的多体系统计算与仿真软件，如adams, matlab和ansys：其控制系统正朝着自治的方向发展，为制造更加人性化和智能化的机器人打下坚实的基础。二、研究技术方案（硬件设计、软件设计、系统调试说明）硬件设计第二部分（包括硬件设计、软件设计、系统调试说明三个部分）总计不得多于5页机器人控制板共包含三种芯片，其中单片机stc12c5a60s2用来产生pwm从而来控制舵机，而xl4015则是用来降压稳定输出6v舵机控制电压、l7805cv保证单片机有稳定的5v控制电压。1.stc12c5a60s2的结构和功能 （1）stc12c5a60s2的结构stc12c5a60s2系列的单片机相比传统的8051单片机内部资源要丰富很多，它内部包括60kb的flash程序存储器、1280b的sram空间、双串口、共4个16位定时器、外部中断i/o口7路、独立波特率发生器、双数据指针、片内自带看门狗和eeprom、内置复位、通用i/o口 p0-p4准双向口等。（2）stc12c5a60s2功能概述stc12c5a60s2单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期(1t)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成max810专用复位电路,2路pwm,8路高速10位a/d转换(250k/s),支持在系统可编程(isp)和在应用可编程(iap)，抗电磁干扰，适用于许多较为复杂的控制应用场合。2、stm32的结构stm32系列的单片机相比传统的8051单片机内部资源要丰富很多，它内部包括60kb的flash程序存储器、1280b的sram空间、双串口、共4个16位定时器、外部中断i/o口7路、独立波特率发生器、双数据指针、片内自带看门狗和eeprom、内置复位、通用i/o口 p0-p4准双向口等。 3.xl4015芯片简介221046a01是为xl4015制作的演示板，用于dc8v36v输入，输出电压5v，输出电流5a的降压恒压应用演示，最高转换效率可以达到93%。xl4015是开关降压型dc-dc转换芯片；固定开关频率180khz，可减小外部元器件尺寸，方便emc设计。芯片具有出色的线性调整率与负载调整率，输出电压支持1.25v32v间任意调节。芯片内部集成过流保护、过温保护、短路保护等可靠性模块。xl4015为标准to263-5l封装，集成度高，外围器件少，应用灵活。 引脚介绍 4.l7805cv芯片简介三端稳压芯片，用于将835v的直流输入电压转换为5v直流电压输出，最大输出电流1.5a，不需外接补偿元件。芯片内含限流保护电流，防止负载短路烧毁元件；内含高温过热保护电路，防止结温过热烧毁器件；内含功耗限制电路，防止烧毁输出驱动器晶体管。软件设计系统总体设计是指从系统高度考虑程序结构、数据形式、程序功能的实现手法和手段。本机器人的系统软件运行总体设计流程：系统初始化，执行回归函数让舵机回到初始位置立正姿态，保存当前位置，输入目标位置，判断第一组舵机是否到位。当第一组舵机到位及当前位置与目标位置相同时，置低该引脚，即第一个机器人的关机开始运动。当第一组舵机没到位时继续判断第二舵机直到四组舵机全部判断结束，直到拉低四个引脚，第一个动作完成，将几组动作连接起来便可以连贯地做任何动作。程序设计语言的基本成分包括：数据成分，用于描述程序所涉及的数据；运算成分，用以描述程序中所包含的运算；控制成分，用以描述程序中所包含的控制；传输成分，用以表达程序中数据的传输。利用stc12c5a60s2单片机产生多路pwm波。控制器可以同时产生多路不同脉宽的pwm波，从而实现同时控制多路舵机的同时转动。而产生pwm波的方法主要是利用了stc12c5a60s2芯片本身自带的16位定时、计数器以及分时操作系统的思想。主程序中定义了几个关键数组，分别是：uchar positionx，uchar pick_upx，uchar arr8，uchar t0bit=0。其中uchar positionx,用于记录8个舵机的位置;uchar pick_up8,当各个io口轮流输出时屏蔽其它位;uchar arr8,提供排序空间; paixu_ncha8=0,中间过度用; uchar t0bit=0,定时器0周期相同标志位. 主程序启动后，进行初始化，延时1s，保证各舵机回到初始位置。打开开关，各舵机按程序进行动作。系统整体调试设计 1系统硬件调试.作为纯手工设计、焊接的电路板，硬件方面是重中之重！在焊接电路板之前，首先对所用的器材进行检测，确保各部件正常使用后再进行电路板上的焊接。在焊接的时候，要注意虚焊的出现、正负极元件的正确焊接，避免通电后出现短路、烧坏芯片的意外情况。在焊器件的时候，要一个一个模块地焊接，这样方便调试。每个模块调试无误后再进行下一个模块焊接。整个电路板焊完之后，首先是静态调试，目的是排除硬件故障。然后再联机仿真、在线调试。在线调试中，对系统硬件进行初步调试，只排除了一些明显的静态故障。而硬件中如果各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误必须通过联机仿真、在线调试才能排除故障。在检测故障时可以利用万用表、示波器等工具来帮助检测工作。2.软件调试跟踪调试：跟踪应用程序用户能够在运行应用程序时，看到pc指针在代码程序中的确切位置。跟踪仅执行一行语句程序，有利于观察变量。如果调用函数，则进入函数中，有利于察看所调用函数中的错误。通过跟踪可以察看程序运行的每一步，清晰的了解整个程序的运行过程，方便修改其中出现的错误。单步调试：单步调试同样是执行一行，但不会进入到程序中调用的其他函数中。适合察看某单一函数，对其调试。如过确认错误就在此函数内而不在起调用的函数内，则使用此调试方法比跟踪调试更省时省力。断点调试：在程序代码某行设置断点，全速运行时遇到断点会停止。适合程序整体调试时对某一段进行定位调试。查看变量：观察窗口、数据窗口以及鼠标直接放于程序中要察看的变量上(可直接看到当前变量内的值)。通过添加观察项菜单可以将用户希望观察的变量添加到观察窗口及数据窗口观察。在设计过程中常用观察窗口观察程序中的变量，修改程序中的错误。3.整体调试将各个部分的硬件模块合并成一个整体，也把软件各个部分程序合并到一个主程序中。通过mdk编程软件和isp程序烧写软件开始整体调试，硬件部分用万用表来测试硬件每部分的接通性。软件部分的测试主要方法还是通过设置断点、单步执行等方法来测试程序的正确性。在确定软硬件无问题后，将程序通过烧程器把程序烧到单片机中，最后整个系统完成。三、附录（硬件设计图、电路设计原理图、程序等）此部分无页数限制。电路设计原理图 程序#include#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define pwmout p1uchar position8;uchar pick_up8; uchar arr8; uchar t0bit=0; uchar n;void go_ahead_0(void); extern unsigned char uart_temp;typedef unsigned char byte;typedef unsigned int word;unsigned char uart_buff;bit new_rec = 0, send_ed = 1, money = 0;unsigned int weizhi=0;unsigned int kongzhi19;sfr iap_data =0xc2; sfr iap_addrh=0xc3; sfr iap_addrl=0xc4; sfr iap_cmd =0xc5; sfr iap_trig = 0xc6; sfr iap_contr = 0xc7; #define cmd_idle 0 #define cmd_read 1 #define cmd_program 2 #define cmd_erase 3 uchar zsax=15; uchar psax=10; uchar zsag=20; uchar psag=20;void uart_init (void) scon=0x50;tmod= 0x20;th1=0xfd;tl1=0xfd;tr1=1; ren=1; sm0=0; sm1=1; ea=1; es=1; et1=0;void low_level_500u(uint time)uint i; for(i=0;itime;i+)delay500us(1);void main(void) sp=0x70; p1m1 = 0x00;