双足竞步机器人技术总结报告

双足竞步机器人技术总结报告编制单位：侏罗纪工作室作 者：侯兆栋版 本：V0.1发布日期：2010-8-20审 核 人：批 准 人： 引言2010年中国机器人大赛已经结束，回顾整个比赛及赛前调试过程，我们遇到了很多问题，下面就将我们遇到的问题做一分析和总结，并提出改进方案，对我们以后的工作有所帮助。 遇到的问题及原因分析 机器人稳定性不好机器人在走路的过程中不稳，比较晃。造成此问题的原因有两个：1.机器人高度过高。由于我们用成型的U型套件，套件高度是固定的，我们必须将腿做成一定的高度才能保证腰翻下去不压脚；下面两个套件决定了腰的高度，所以总体下来我们的机器人高度比较高，导致机器人重心比较高，平衡性不好，造成不稳定。2.步态设计不合理。在动作上需要6个舵机同时配合，要做到很协调，还是很有难度的，某个舵机的角度，速度都会对整个机器人的行走造成影响，这也是造成机器人走路不稳定的原因。 舵机控制问题舵机控制原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。 上电机器人乱动问题在于上电程序初始化时，没有给出一个确定的值来产生一个确定的脉冲，脉冲给舵机后，舵机状态不定，就出现了乱动的现象。 舵机抖动在调试过程中，舵机出现抖舵的问题，主要原因有：1、控制板供电电源电压不足控制板供电电源电压不足，引起芯片电源电压不稳定，导致输出脉冲抖动，测得当供电电压降低到5V以下经过78M05稳压，再经过ASM1117稳压后，输出脉冲高电平电压再2.5V左右，是一不可靠的高电平，输入舵机控制电路后，输出的直流偏置电压不准确，导致舵机抖动。2、脉冲精度不够很多舵机的位置等级有1024个，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度，约0.18度，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us，约2us。此次为节省芯片资源，先将时钟进行一次分频，再拿分频产生的时钟来控制脉冲的时基计数器和步进计数器，这样，每个计数器的计数值变小，节省了一定的资源，但在控制精度上有所下降，控制板产生的脉冲精度为：脉冲时基计数值为：1600；步进计数值为：1或2；则：脉冲精度为1/1600 * 20 ms = 12.5 us与舵机的要求精度相差很大，由于模拟舵机的无反应区比较大，当以较低精度的脉冲来控制舵机时，在某个时刻舵机状态不定就会出现抖舵现象。 烧电路板电路板原理图如下：此原理图比较简单，没有什么原理性的东西，也没有做隔离和保护，电源模块有两路供电，一路经过开关后直接给舵机供电，另一路经过两级稳压输出3.3V电压，满足EPM1270的供电需求；复位是直接通过一电阻拉到地上，进行低电平复位；时钟模块是一有源晶振，接上电源后就可以起振；其他都是接口。在调试过程中，有一段时间，老烧电路板，每次烧的都是CPLD芯片，从CPLD手册上查得：芯片3.3V供电时，I/O口的单端输出电压为3.3V3.3V供电时，输出高电平电流为16mA，输出低电平电流为8 mA;由以上资料分析，烧板子的原因可能是：1.电平不匹配。CPLD输出电平电压为3.3V，而舵机需要的为TTL电平，由于外部再没有加驱动电路，这样CPLD的I/O端口驱动能力有限，当同时有几个舵机转时或者舵机转的角度比较大时负载过重，导致CPLD烧坏。2.电流回流和尖峰脉冲舵机中有一直流电机，当直流电机转的时候，自身也会产生电流，若多个舵机同时转，且转的角度比较大时，各舵机自身产生的电流汇集到一起应该是表较大的，若电流倒流入电路板，电路板可能因电流过大而烧坏；另一点就是尖峰脉冲，舵机在转的过程中若产生尖峰脉冲，倒灌入电路板也可能因电流过大而烧坏芯片。这应该是此次电路板烧的主要原因。3.电路板制作工艺在刻PCB板时，板子阻焊做的不好，在焊接的过程中，容易在电路板上留下焊锡渣，如果掉入芯片两引脚之间，也可能引起短路，导致电路板烧坏。 解决方案 机器人稳定性解决方案 结构对机器人整体结构应该在现有基础上加以改进，比如在机器人高度上，以及腰部；对于U型套件，自己做，用AutoCAD设计出机器人结构图、套件图，拿到机床去加工，这样能保证套件精度，和结构的合理性，将机器人结构对研究带来的影响减到最小。 步态设计对机器人走路的步态进行更合理的设计，保证走路过程中的平稳。 舵机控制解决方案 上电乱动在上电程序初始化时应该给舵机一个确定的脉冲，而且此状态持续时间应稍长，问题就会得到解决。 舵机抖动首先，保证电源电量充足，电压保持稳定，给芯片一个稳定的电压，保证输出脉冲的稳定性；其次，增加脉冲精度，即脉冲宽度的步进不要太大，这样既能精确的控制舵机，又能避免舵机的抖动；另外，可以在后端加一脉冲整形电路，可以滤除毛刺等脉冲。 电路板解决方案 电平不匹配问题。对于此问题，可在后端加一电平转换芯片，增强驱动能力，保证I/O口有足够的能力来驱动舵机。 电流回流和尖峰脉冲方案一：加电容吸收在舵机前端加一电容来吸收尖峰脉冲，但此方法经过实际验证不可行。加电容后，从I/O口输出的脉冲被电容吸收了，舵机不转。方案二：光电隔离 + 整形为了防止干扰,舵机控制信号和驱动电路应光耦光电隔离, 将信号隔开，避免舵机转动对控制板的影响。通过隔离出来的控制信号, 还必须经过整形以消除毛刺, 增加信号的稳定性, 提高信号的输出电流。整形可采用施密特触发器，施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，它是具有滞后特性的数字传输门，且受电源限制，可对输入波形进行变换和整形；另外，还可以采用通过比较器整形的方法来消除毛刺比如用LM324，LM393等。 电路板制作工艺在今后做板的时候应该加强阻焊和助焊这两道工序，能