毕业论文-RoboCup足球机器人硬件系统研究与设计

RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 2 摘 要 北京石油化工学院机电工程系为加强光机 电重点实验室的建设，对 FIRA 和RoboCup 进行了系统的课题研究，并参加了 2004 年的“广州理想”杯足球机器人比赛中，荣获比赛三等奖。 本论文系统地研究了 RoboCup 足球机器人小车的硬件电路设计和机械模型设计。运用 Protel DSP软件设计了硬件电路部分，用 Solid Edge 软件设计了机械模型，最后在CSS开发平台上编写了电机调速的汇编程序。 论文首先介绍了整个足球机器人的研究现状和存在的问题， 提出了以DSP为控制核心的机器人小车设计方案。然后对小车的微控制器、无刷电机和电机驱动、速度检测、通讯单元和电源五个模块的电路部分和机械部分分别进行了详细的描述。最后给出了电机调速程序。实验证明，这种用基于 PWM 技术的 DSP 控制无刷直流电机的设计方案可以大大提高机器人小车的控制精度和灵活性。在结论部分，提出采用传感器和电路改进等几点技术改进方案。 这将为我们的机器人足球队赢得比赛打下良好的基础。 关键词 ：足球机器人， DSP ， PWM ， 无刷直流电机 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 3 Abstract Department of Mechatronic Engineering， Beijing Institute of Petrol-chemical Technology, has been reinforcing the construction of Being Area Major Laboratory in the past several years, especially on FIRA and RoboCup. And their soccer robot team had won the third class medal of “Guangzhou ideal cup”, sponsored by South China University of Technology last year. This paper describes the hardware circuit and mechanical model of Robocup small-size robot. Firstly, I designed the hardware circuit of Robocup with Protel DSP software, and then created the mechanical mode with Solid Edge software. Last, I developed the assembly program of timing for motor on CSS platform. After introducing the state of the art of robot soccer, this paper describes a project of RoboCup robot based on DSP. And each part of the robot, such as macrocontroller, brushless motor and driver for that, rate timing, communication model and power source has been described in this paper in details. At the end of the paper, timing programmer for motor has been developed. It has been proved that the design ， based on PWM ,can improve flexibility and precision of the robot. At the part of conclusion, this paper presents several improving methods about circuit and sensor. And the work above will be helpful for our team to win RoboCup match. Key Words ： Soccer robot, Digital Signal Processor (DSP), Pulse width modulation (PWM), Brushless motor RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 4 目 录 第一章 绪论- 1 1.1足球机器人概述- 1 1.2 选题背景-1 1.3足球机器人国内外发展情况- 2 1.4 总体方案和研究方向-6 第二章 总体设计-8 2.1 设计要求-8 2.2 设计方案-8 2.3 控制器选择-9 2.4电机选择-10 2.5 通讯芯片选择-11 2.6 电池选择-12 2.7本章小结-13 第三章 硬件电路设计-14 3.1 硬件整体电路设计-14 3.2 主控芯片DSP电路模块-15 3.3电机控制模块-22 3.4 无线通讯模块-25 3.5 电源模块-30 3.6硬件电路的抗干扰设计-33 3.7本章小结-34 第四章 机械模型设计-35 4.1 行走机构设计与安装-35 4.2外壳设计与安装-39 4.3天线设计与安装-40 4.4 电路板设计与安装-41 4.5机器人小车组装-43 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 5 4.6本章小结-47 第五章 DSP 电机调速程序设计-48 5.1程序框图-48 5.2 程序清单-52 第六章 技术经济性分析-60 第七章 结论和展望-61 7.1 结论和问题分析-61 7.2 进一步研究的展望-61 参考文献- 62 致 谢- -63 附 录- -64 声 明- -65 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 6 第一章 绪论 1.1 足球机器人概述 中国工程院原院长宋健指出： “机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化。 ”机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响1。Alan Mack Worth (University of British Columbia. Canada)于 1992年在其文章 On Seeing Robots 中，提出机器人足球比赛是很好的机 器人和人工智能研究的实验平台。这一提议得到了广泛的赞同。韩国学者金钟焕教授于 1996 年开始主办微型机器人足球比赛（ MiroSot） 。日本学者北田宏明提出了机器人世界杯足球赛(RoboCup)，在众多学者的努力下， 1997 年 8 月 23-29 日，第一届 RoboCup 比赛及会议在日本名古屋举行。设计机器人并进行足球比赛是很有挑战性的工作，激发了大家极大的研究兴趣。到 1998 年 4 月，共有 22 个国家 1000 多名研究人员在进行此方面的研究工作2。目前，国际上机器人足球己发展为两大系列，一个是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛 (RoboCup)， 另一个是由国际机器人足联 (FIRA)组织的微型机器人世界杯足球赛 (RWC-Robot Soccer World Cup)。 1.2 选题背景 北京石油化工学院机电工程系为开展机器人方面的研究， 加强光机电重点实验室的建设，近年来加大了对足球机器人比赛的研究力度，尤其加强了对 FIRA 和RoboCup 两种类型的小型组的课题探索。北京石油化工学院北京石化队于 2004 年参加了在华南理工大学举行的“广州理想”杯FIRA足球机器人比赛，荣获FIRA小型组（3:3）比赛三等奖。这一活动使学校涌起一股课外科技活动的热潮。本文正是在在这种科技热潮下和院系老师的鼓励支持下开展的。 本文是RoboCup机器人小型组的硬件研究课题。 本课题以DSP信号微处理器核心，对 RoboCup 足球机器人的硬件部分进行了深入的研究，并进行一些技术上的尝试。另外设计了配合该机器人系统的汇编驱动程序和性能测试仿真。在全局视觉系统的配合下，足球人小车能够在赛场上灵活地进行接球传球与射门等动作，完成RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 7 比赛的任务。 1.3 足球机器人国内外发展情况 机器人足球比赛是近年来在国际上迅速开展起来的高技术对抗活动。 它是体育与高科技结合的产物，可以反映一个国家信息技术和自动化技术的综合实力。机器人足球世界杯的目标是： “到 2050 年，全自主的拟人机器人足球队能打败当年的人类的世界冠军3。 ” 1.3.1 概述 足球机器人的设想，在上世纪 90 年代初开始闪现。 RoboCup 自 1997 年举办以来，各科研机构和公司纷纷投入大量的精力去研究。国外学者建立了许多著名的理论和方案，企业界也积极给出基金支持。 RoboCup 课题研究大致分为三个阶段： 第一阶段：理论准备阶段 1992 年加拿大不列颠哥伦比亚大学的教授 Alan Mackworth 在其论文 on seeing Robots 中首先提出的机器人足球比赛的设想。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题。 此想法一经提出，便得到了各国科学家的普遍赞同和积极响应，国际上许多著名的研究机构和组织开始开展研究，将其付诸实现并不断推动其发展。 1992 年 10 月，在日本东京举行的关于人工智能领域重大挑战的研讨会中，与会的研究人员对制造和训练机器人进行足球比赛促进相关领域研究进行了探讨。1993 年， Minoru Asada(浅田捻 )、 Hiroaki tano(北野宏明 )和 Yasuo Kuniyoshi 等著名学者创办了 RoboCup 机器人足球世界杯赛 (Robot world cup soccer games，简称RoboCup)。 在一些学者的倡导下 (如美国 CMU 的 Manuela Mveloso 教授 )以及 SONY公司的支持下，成立了 RoboCup 联合会，并于 1996 年在日本举行了一次表演赛，获得了很大成功。 1997 年，在国际最权威的人工智能系列学术大会 -第 15 届国际人工智能联合大会 (The 15th International Joint Conference on Artincial Intelligence，简称 UCAI-97)上，机器人足球被正式列为人工智能 的一项挑战。至此，机器人足球成为人工智能和机器人学新的标准问题。 第二阶段：初期比赛阶段 第一届 RoboCup 机器人足球世界杯赛于 1997 年 8 月份在日本名古屋与RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 8 UCAI-97 联合举行。来自美、欧、日、澳的 40 多支球队参赛，观众达 5000 余人，小型组的冠亚军分别为 CMU 和巴黎大学。 1998 年 7 月 4 日至 8 日，第二届杯赛在法国巴黎与第 16 届世界杯足球赛同时举行 (当年没有 UCAI 大会 )，参赛队达 60 多支。小型组的冠亚军分别为 CMU 的 CMUnited98 和澳大利亚的 Roboroos。 1999 年7 月 28 日至 8 月 4 日，第三届 RoboCup 世界杯赛及学术大会在瑞典斯德哥尔摩与UCAI-99 联合举行，参赛队多达 90 余支。小型组的冠亚军分别为康奈尔的 Big Red和德国的 Fu-Fighters。在 1999 年的世界杯赛上， SONY 公司推出了四条腿的机器狗足球赛，表现出日本在这一领域居于领先地位。并将机器狗作为娱乐型机器人推向市场，风靡一时4。第三阶段：正规比赛阶段 2000 年 8 月 25 日至 9 月 3 日， 第四届杯赛及学术大学在澳大利亚墨尔本举行，正式参赛队首次突破 100 大关， 达 104 支。 一些著名的大学 (如美国 CMU 和 Cornell等，德国 Humboldt)、国立研究院 (如美国 NASA)和大公司 (如日本 SONY)均参与了相关的活动。小型组的冠亚军分别为康奈尔的 Big Red 和德国的 FU-Fighters。这一届比赛执行了 F180 规则，因此小型组也叫 F180 组。这标志着比赛的正规化。 2001年，在美国西雅图举行了第五届比赛，小型组的冠亚军分别为新加坡的 Lucky Star II， Field Rangers。 2002 年，在日本福冈举行了第六届比赛，小型组的冠亚军分别为康奈尔的 Big Red 和德国的 FU-Fighters。 2003 年，在意大利帕多瓦举行第七届比赛。小型组的冠亚军分别为美国康乃尔大学 (Cornell)的 Big Red 和澳大利亚昆士兰大学 (The university of Queensland)的 RoboRoos 队。 2004 年，在葡萄牙里斯本举行第八届比赛。小型组的冠亚军分别为德国的 FU-Fighters 和澳大利亚昆士兰大学(The university of Queensland)的 RoboRoos 队。 2005 年 7 月 13 日 -19 日， RoboCup 将在日本大阪举行 目前，中型组比赛代表比赛的最高水平。参加 RoboCup 中型组比赛的球队规模不断扩大，从历届比赛的成绩来看，中型组中有三支实力较强的队：德国弗赖堡(Freiburg)大学的 CSFreiburg 队 (三次冠军 )、日本大阪 (Osaka)大学队和伊朗 Sharify理工大学 Sharify CE 队3。 1.3.2 国际 RoboCup 足球机器人研究遇到的问题 实践证明，利用多智能体理论是足球机器人研究的有力工具。但是，对于环境的多变和机器人本身机构的不稳定性，国外学者常常疲于假设和增加控制层次求RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 9 解。这一方面，促进了仿真组研究的飞速发展，另一方面，导致硬件改进的缓慢。只有少数的几家买得起高性能的硬件，因硬件的价格居高不下，比赛呈垄断状态，也背离了促进改进硬件的初衷5。足球机器人硬件系统一直是人们密切关注而又 没有适当解决的问题。长期以来，组队一直在常规地选择日用或工业用的小型器件来搭建机器人平台，结果是在硬件的配合方面耗费巨大精力，但仍然有防不胜防的兼容性问题。提出硬件规范的呼声越来越高，这样有利于在新的平台上开创一个新的领域。 另一方面，随着环境的设置越来越复杂，足球机器人的动态性能研究越来越引起人们的重视。用优良的硬件来保证优良的动态性能，不仅减少了故障发生次数，而且提高了执行效率。这方面的文献却很少见。 1.3.3 国内 RoboCup 足球机器人研究的现状 我国在全自主移动机器人方面的研究相对较弱， 中型组机器人足球的研究刚刚起步，但是已经显示出强大的活力。各大较有实力的院校和科研机构近年来不断加大对移动机器人关键技术的研究， 并在尝试利用所拥有的移动机器人平台参加中型组机器人足球比赛。下面介绍各高校的研究现状和国内的比赛情况。 哈尔滨工业大学 自 1997 年在中国成立第一个机器人足球队以来，经过几年的风风雨雨取得了丰硕的成果，尤其在 2001 年机器人足球世界杯大会上获得了四项冠军，实现了中国机器人足球打入世界杯四强之梦。此后，国际机器人足球联盟支持的哈工大 -悠进机器人足球技术研究所又在哈工大成立。 清华大学 2001 年 8 月 10 日结束的第五届机器人世界杯足球赛中获得仿真组第一名的好成绩。代表我国出征的“清华风神队”在第六届 RoboCup 机器人足球世界杯比赛获得仿真组冠军， 卫冕成功。 清华风神队是 RoboCup 仿真组 2000、 2001、2002、 2003 的全国冠军和 2001、 2002 两届世界冠军得主，在 7 月意大利帕多瓦举行的 RoboCup2003 上获得亚军。 清华风神队 RoboCup 仿真组堪称 RoboCup 仿真组世界顶尖强队。 2003 年北京举行的中国机器人竞赛中， 清华战神一队获得 RoboCup小型组冠军。 中国科技大学 2001 年 8 月， 第五届机器人足球世界杯赛在美国西雅图举行，科大蓝鹰队参加了仿真和四腿两个大项目的比赛。在仿真组中，参加了“踢球”和“现场教练员”两个项目的比赛，分别获得第五名和第二名的好成绩。同时，科大蓝鹰队开发了带有自动评论员功能的三维仿真比赛显示界面，在杯赛上进行了演RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 10 示，得到国际机器人足球委员会主席北野宏明 、仿真机器人足球委员会主席 Peter Stone、仿真比赛平台设计者 Noda、本届比赛组织者 Gal 以及现场观众的一致好评。科大蓝鹰四腿队打败多支老球队，进入八强，完成了初次练兵的目标。 2003 年北京中国机器人竞赛中，科大蓝鹰小型一队获小型组亚军。 2003 年 7 月，蓝鹰队参加了第七届世界杯赛 (意大利帕多瓦 )的仿真、四足和小型组比赛，蓝鹰仿真队和四腿队继续保持双八强， 蓝鹰四眼队在比赛中以 3:1 战胜卫冕冠军美国卡内基 -梅隆大学队 国防科技大学 首届在哈尔滨举行的全国机器人足球锦标赛中来自全国各地的 16 支“足球队”在只有半个乒乓球台大的球场上，展开了一场高技术的对抗活动。国防科技大学派出的机器人足球队，取得 1 对 1 比赛第二名的好成绩。 上海交通大学 2001 年 8 月 16 日， 在北京举行的 FIRA2001 机器人世界杯比赛中，上海交通大学机器人足球队获得中型全自主项目 (Robo Sot)的冠军。在世界机器人足球赛场上，为我国首度捧回中型组的冠军杯。 “ 2002 年中国机器人足球锦标赛”在上海交大举行。在同济举行的 2002 年机器人比赛闭幕式上，交大 1， 2 队分别获得 1 对 1 的冠亚军和 2 对 2 的第一、三名。其中交大 1 队以不败的战绩获得了双冠军。在北京举行的 2003 年机器人竞赛中，交大蛟龙队分别获得中型组 1 对 1和 2 对 2 的双冠军。 为了参加国际比赛，国内举办中国 RoboCup 比赛。 2000 年，中国 RoboCup2000 在合肥中国科技大学举行。仿真组清华大学队获得冠军 2001 年，中国 RoboCup2001 在昆明举行。仿真组特等奖：清华大学的Tsinghuaeolus，一等奖为中国科技大学的 WrightEagle II ，二等奖为上海大学 I 队为 Shu2001 ，三等奖为北京理工大学的 EvERest。 2002 年，中国 RoboCup2002 在上海同济大学举行。仿真组 sserver8 组中清华大学队 TsinghuAeolu 获得冠军。 sserver7 的组中北京理工大学的 Everest 队获得了冠军。 2003 年，中国 RoboCup2003 在北京举行。仿真组清华风神队获得冠军。 2004 年，中国 RoboCup2004 在广州华南理工大学举行。小型组武汉科技研究生队获冠军，中型组上海交大交龙二队获冠军。 1.3.4 研究足球机器人的意义 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 11 研究足球机器人的科学研究意义： 足球机器人是一项包含多项技术领域的综合研究，它融合了实时视觉技术、智能控制、无线电通讯、机器人技术、人工智能等多个领域的技术，可以说机器人足球比赛是研究多 Agent 系统的标准试验平台。 机器人足球比赛不仅需要人工智能中的分布式问题求解技术，还需要模糊控制、共享控制、仿真技术以及其它学科如无线通讯、机电一体化乃至管理科学等技术。不仅每种技术要过得硬，而且只有将所用技术有机地集成为一体，才能战胜对方1。 研究足球机器人对学校的意义： 首先，机器人本身就是多学科交叉的领域，是培养学生创新能力的一个很好的平台。近几年的实践证明，围绕机器人比赛所开展的一系列“大学生创新计划” ，深受广大学生的欢迎，学生的积极性高，参与人数也较多，起到了良好的效果。因此在今后在参与机器人比赛的过程中，不但要注重尖端性，也要注重普及性和开放性。要让更多的同学参与到机器人比赛中来，在参与中锻炼能力。围绕机器人所开展的一系列科研和培养学生创新能力所取得的 成绩感到欣慰。特别是在去年的FIRA 小型组比赛中，我校机器人足球代表队获得三等奖。这不仅是对广大同学的创新能力的肯定，也是对机器人爱好者的鼓励。 其次，足球机器人由一个良好的学术交流平台，通过参加足球机器人比赛，扩大了老师们的学术视野，促进科研人员对相关知识的研究和深化，给学校营造出良好的学科交叉的氛围，提高了学术水平。稳定并扩大这支队伍，瞄准国际前沿，不断深入开展关键技术的攻关研究，加快提高我校机器人研究的档次。其意义远远超过足球机器人比赛取得优胜的本身。 再次，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，是培养机电一体化科技人才的重要手段， 同时也是展示机电实验室实力和促进科技成果实用化和产业化的新途径6。 在 RoboCup 小型组比赛中，相比起来，我们起步较晚，理论水平和技术水平还不太成熟。现在我们正在进行理论及实践方面的探讨研究，并计划尽可能多的参加比赛，通过与强队的交流来提高自己的水平，争取迎头赶上。 1.4 总体方案和研究方向 本论文系统研究了足球机器人小车的硬件和软件设计与开发。 论文首先介绍了RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 12 整个机器人足球系统的组成和总体结构。在第二章里详细的论述了基于 DSP 的足球机器人小车控制器的硬件总体设计，对小车的微控制器、电机和电机驱动、通讯单元和电源四个部分的芯片选择进行了全面的论述。解决了 CPU 的选型，电机的选择和电机驱动，能源供应等问题。在对国内外足球机器人小车开发现状广泛调研基础上，提出了一种基于 DSP 的硬件基本框架，实验证明，这种结构可以大大提高机器人小车的控制精度和灵活性。 第三章具体讲述了机器人小车的硬件的电路设计，第三章论述了机器人小车的机械部分设计和具体实现，并通过 Solid Eage 软件绘出其三维图形。最后一章结合当前新技术的发展和足球机器人系统的特点，提出几点今后的改进方案和技术发展方向。 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 13 第二章 总体设计 2.1 设计要求 本次设计要做的是一个 RoboCup 小型组 足球机器人本体。目的是利用 Solid Edge 软件 的三维造型功能设计出先进的比赛型 机器人小车，以迎接即将到来的RoboCup小型组比赛。 2.2 设计方案 Solid Edge 软件 具有很好的三维实体造型功能，并能很方便的进行三维到二维的转换。它的人性化设计界面使设计简便易行。 结合设计要求，针对小车设计的特点，拟定的设计的方案为：第一步进行电路设计，以实现机器人小车的控制功能，第二步进行机械模型的三维仿真设计，以最终组装成机器人小车本体，实现本文的设计目标。电路的功能分为电机控制和无线通讯。其功能模块如图2.1所示。 图 2.1 电路功能流程图 机器人小车的模型设计方案的首先设计出零件 。然后进行组装。其流程如图2.2所示。 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 14 图 2.2 机械组装流程图 2.3 控制器选择 2.3.1 设计要求 为使机器人具有较高的智能，应选择高性能的微处理器，选择时应考虑如下条件： 1)系统的时钟速度； 2)计算速度； 3)函数性能； 4)兼容性； 5)电动机控制方式； 6)通讯速度和方法； 7)存储器容量。 2.3.2 方案论证 微处理器一般有三种选择。包括单片机（ MCU） ，通用处理器（ GPP）和数字信号处理器（ DSP） 。下面进行简单的比较。 DSP 和单片机 (MCU)的比较 两者的共同点是：都可以应用到嵌入式系统中，在系统中作为处理器完成一定的系统控制和处理功能；都有独自的指令集，与 PC 机的指令集不兼容，只有充分RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 15 了解其硬件的特点，才能编写出合理而高效的程序。而不同点是： 两者处理性能差距很大， DSP 的处理速度一般是单片机的 10 倍以上，而在乘法处理上 DSP 的优势更为明显。这一性能决定了 DSP 的应用领域主要集中在较复杂的算法处理中，而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较低的环境。 DSP 和通用处理器 (GPP)的比较 两者的共同点是： 都是高速处理器， 可以实现较复杂算法的处理。 而不同点是：其一应用范围不同。通用处理器（ GPP）应用在个人电脑中，配合内存、显卡、鼠标和键盘等外部设备组成完整的处理系统，功能强大，由于个人电脑的系统相对庞大，这样的构架无法在嵌入式系统中应用；而 DSP 具备大量的片上外设和资源，可以利用很少的外部元件组成高性能的处理系统，因此适合应用在嵌入式系统中。其二硬件构建原理不同。通用处理器（ GPP）一般使用冯诺依曼存储器结构，结构中只有一个存储器空间，通过一组总线连接到处理器核心。大多数 DSP 采用了哈佛结构，将程序存储和数据存储空间划分开，用两组总线连接到处理器核心，允许同时对它们进行访问。 DSP 的结构安排将处理器存贮器的带宽加倍，可同时为处理器核心提供数据与指令，因此 DSP 能够在单工作周期完成多个存储器访问指令，而 GPP 则不行。其三功能不同。通用处理器（ GPP）不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的 GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而 DSP 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并增加了累加器与寄存器来处理多个乘积的和，所以 DSP 在密集乘法计算中具有先天优势。通用处理器（ GPP）的循环使用软件来实现，每次循环都必须花时间去检查循环计数器的值，条件转移到循环的顶部，将循环计数器减 1，因此造成了额外的循环开销。 DSP 算法的大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，因此 DSP 都有专门的硬件，用于实现零开销循环。 足球机器人要通过微处理器来控制电机和协调无线通讯单元传过来的指令， 不仅算法复杂，而且要求用嵌入式系统方式实现。 由以上比较可知， DSP 芯片在设计控制方面有优势。因此，本设计选择 TI 公司的 TMS320LF2407A 型号的 DSP 作为硬件电路的核心器件。 2.4 电机选择 由于环境的限制， RoboCup 小型组足球机器人一般采用直流电机。 2.4.1 设计要求与论证 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 16 电机的选择对机械结构的影响明显，并且 对于机器人的运动灵活性起关键作用。就性能来说，比赛对电机的要求是：控制方便，运动精确，数字电路和模拟电路转化方便。 2.4.2 方案论证 选择电机主要是对于伺服电动机、步进电机和无刷直流电机的比较。 伺服电动机（ Servo Motor） 伺服电动机也称为执行电动机， 它将电压信号转变为电机转轴的角速度或角位移输出。输入的电压又称为控制信号或控制电压。在自动控制领域，伺服电动机作执行元件。直流伺服电动机的基本结构、工作原理及内部电磁关系和普通直流电机相同，其输出功率一般为 0.1 100W。优点：响应迅速，动态特性好；力矩波动小，低速下运行稳定；机械特性和调节特性的线性度好。 步进电动机（ Stepping Motor） 步进电动机也称脉冲电动机， 它将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的一种特殊电机。每输入一个电脉冲信号，电机就转动一个角度，它的运动形式是步进式的，所以称为步进电动机。步进电动机在不需要变换的情况下，能直接将数字脉冲信号转换为角位移或线位移，很适合作为数字控制系统的伺服元件。其优点为：一是输出角位移与其输入的脉冲数成正比，不受外界各种因素的影响，二是它每转一周都有固定的步数，所以步进电动机在不失步的情况下，其步距误差不会长期积累。缺点是效率低，并且需要专门电源供给电脉冲信号，带负载的能力不强，在运行时出现共振和振荡问题。 永磁无刷直流电动机（ Permanent Magnet Brushless DC Motor） 永磁无刷直流电动机是集永磁电动机、微处理器、功率逆变器、检测元件、控制元件、于一体的新型机电一体化产品。它采用功率电子开关和位置传感器代替电刷和换向器，既保留了直流电动机良好的运行性能，又有电动机结构简单、维护方便的优点7。 由上面的分析可知，无刷直流电机具有优势。因此本次设计采用永磁无刷直流电机。 2.5 通讯芯片选择 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 17 2.5.1 设计要求 按照 F180 规则，主计算机和机器人之间进行信息交互只允许使用无线通讯。无线通讯子系统是连接主机和机器人的纽带， 是指从主机的串口到足球机器人的车载接收模块。 2.5.2 方案论证 比较常用的是红外通讯和无线射频通讯。 使用红外通讯的优点是容易实现、价廉、速度快；缺点是有效距离短、定向性和可靠性差、通道有限。使用无线射频的优点是易实现、稳定性好、速度快、电路容易实现和频率固定； 缺点是价格高。 目前绝大部分机器人足球系统选用无线射频通讯，本文采用的是 MICRF007 通讯芯片。由于这种芯片可以使用全双工模式，所以不但足球机器人可以接收主机发出的命令，而且机器人也可以向主机发出信息，甚至可以实现足球机器人间的通讯。在我们的足球机器人系统中采用单向串行通讯的方式。主机的控制指令数据经计算机串行口送到发射模块，机器小车的车载通讯模块接受并解调后，传送给车载微处理器（ TMS320LF2407A） 。 2.6 电池选择 2.6.1 设计要求 机器人小车是无线移动小车，因此需要有车载电源。其能量应至少保证全场比赛的需要。一般都是选择可充电的电池。电源的选择标准有以下几点 : (l)电池容量，即电池中所储藏的能量； (2)电压大小，电机的供电电压要求范围较宽，电池电压要根据选择的电机型号而定； (3)电池内阻； (4)温度影响，许多电池的特性受温度的影响较大； (5)充电重用率，为了降低成本应使用充电次数较多的充电电池。 2.6.2 方案论证 比赛中常用的电池为碱电池、镍 -镉电池和镍 -氢电池。下面做一简单的比较。 碱电池是日本早期机器人比赛中制定的蓄电池。由于其不能反复的充放电，造RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 18 成设计成本的增大， 加上能量提供的不充足， 当流过大电流时， 电压发生急剧下降，降低机器人运动的控制性能，现在基本上已淘汰。 镍 -镉电池是比赛中使用的最多的电池。因为它能够流过大电流。另外，充放电特性也好。另一方面，由于其是利用化学反应产生的电能，因此在快速充电时，老化也快。 镍 -氢电池正极为镍氧化物，负极为氢吸留合金，电解液使用氢氧化钾。与同样尺寸的镍 -镉电池相比，镍 -氢电池是 2 倍以上的高能电池。 由以上比较可以看出，选用镍 -氢电池占有优势，虽然镍 -氢电池的价格较高，但综合考虑还是值得的。 本设计采用的一块 8 .4V 的镍 -氢电池组为两个直流电动机和车载电路板供电。通常电机和电路对电压的要求不同。车载电路采用 3.3V 电压供电，电流一般不大，几十个毫安， 而电机的供电电压和电流则要求范围较宽， 消耗的电流也较大。 为此，本文设计了一个电压转换电路。可以将电压分别转换成 3.3V 和 12V。 2.7 本章小结 本章主要论述了总体方案的设计，包括各种元件的选择。其中 2.1 节讲述了总体设计要求，2.2 节介绍了总体设计方案，2.3 节讲述了控制器的选择，2.4 节阐述了电机的选择，2.5节讲述了通讯芯片的选择，2.6节论述了电池的选择。 RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 19 第三章 硬件电路设计 3.1 硬件整体电路设计 针对以上对足球机器人各部分工作原理的分析，进行了基于 DSP 的 RoboCup小型组足球机器人的研制，控制系统硬件构成如图3-1所示。 图 3.1 系统硬件构成 采用的控制系统主要由 DSP 接口电路、功率驱动电路、逻辑控制电路及保护电路。电流、磁极位置脉冲信号分别由 DSP 的 A/D 转换接口、I/O 接口、QEP/CAP 单元输入。 DSP跟据控制指令、 参考速度指令及反馈转速输出PWM脉冲信号， 驱动IGBT构成的桥式驱动电路控制无刷直流电动机5。RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 20 3.2 主控芯片 DSP 电路模块 经过综合比较，本设计选择 TI 公司的 TMS320LF2407A 型号的 DSP 作为硬件电路的核心处理器。 3.2.1 DSP 芯片的硬件特点 DSP 芯片具有以下特点，正是由于这些特点， DSP 才从其他普通微处理器中脱颖而出，成为实时信号处理的理想选择。 (1)哈佛结构 哈佛结构是不同于冯诺曼 (Von Neuman)结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中， 即程序存储器和数据存储器是两个互相独立的存储器。每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据访问同一存储器，数据吞吐率低。 (2)流水线 与哈佛结构相关， DSP 芯片广泛采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了第条指令的执行时间。 TMS320 系列处理器的流水深度从 2-6 级不等。如C2000 系列 DSP 采用四级流水线 (分取指令、指令译码、取操作数和指令执行 )，而C5000 系列 DSP 采用六级流水线。 (3)专用的硬件乘法器 在一般形式的 DSP 运算中 (如 FIR 滤波器和 FFT 变换 )，乘法是其中重要组成部分。乘法速度越快， DSP 处理器的性能越高。在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需要许多个指令周期来完成。例如，执行一条字相乘，80%系列芯片要 20 个状态周期 (如用 16MHz 的晶振，约要 2.5uS)。相比之下， DSP芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。在 TMS320 系列中，由于具有专用的硬件乘法器，乘法可在一条指令周期内完成。如 TMS320LF2407A 的一条指令周期为50ns。由此可见，对于运算较复杂的算法， DSP 的速度比一般的单片机快很多。 (4)特殊的 DSP 指令 DSP 的另一个特征是采用特殊的指令和高速的寻址 方式。随着特殊指令的丰RoboCup 足球机器人硬件系统研究与设计 21 富、完善， DSP 的运算时间将不断降低。可以在其它操作进行的同时完成地址寄存器指针的修改，并具有循环寻址、位反序寻址功能 .例如，在 C5000 DSP 中有专用的 FIR 指令用于 FIR 运算；位反序寻址可利于 FFT 的快速完成。 (5)快速指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成电路的优化设计可使 DSP 芯片的指令周期在 200ns 以下。 TMS320 系列处理器的指令周期已从第一代的 200ns 降低至现在的 5ns (TMS320C6201-200)。快速的指令周期使得 DSP 芯片能够实时实现许多 DSP 应用。 TMS320LF2407A 是美国 TI (Texas Instruments)公司专为数字电机控制而推出的一种定点 DSP，是基于 TMS320C2XX 型 16 位定点数字信号处理器 (DSP)的新型DSP 控制器系列的首批成员。它集 DSP 的信号高速处理能力和适用于电机控制的外围电路于一体，为电机控制系统数字化设计提供了一个理想的解决方案，在电机数字控制中得到广泛的应用。 3.2.2 TMS320LF2407A 芯片内部的功能模块 该芯片主要由三部分构成：内核 CPU，存储器与 I/O 接口和片内外设。其结构框图如图 2.1 所示。下面做一简单的介绍。内核 CPU 包括一个 32 位的中央算术逻辑单元（ CALU） ，一个 32 位的累加器（ ACC） ，一个 16 位 16 位的乘法器，两个状态寄存器和各种定标移位器。存储器部分包括 RAM（单口 RAM 和双口 RAM） 、ROM 和 FLASH。该芯片具有 16 位地址总线，可以独立访问三种空间： 64KB 程序空间、 64KB 数据空间和 64KB 的 I/O 空间。 片内外设包括事件管理器 （ EVA 和 EVB）模块、 数