[硕士论文精品]基于dsp的足球机器人小车控制系统的研究与开发

西华大学硕士学位论文Y9068们基于DSP的足球机器人小车控制系统的研究与开发机械制造及其自动化专业研究生黄新宇指导教师向中凡机器人足玲比赛是近几年固际上丌展起来的一利，高科技对抗活动。虽然历时不长，但由于它集高新技术、娱乐、比赛于一体，所以引起了社会的广泛关注和极大兴趣。足球机器人涉及机器人、智能控制、数据融合、计算机技术、数字通讯、图像处理、机构学和人工生命等多个领域，为研究多智能体系统、多机器人等理论提供一个很好的试验载体，又为研究发展多智能体等系统理论提供了生动的研究模剖，是理论密切联系实际极富L命力的成长点。足球机器人系统是由四个子系统构成视觉予系统，决策予系统，通信子系统，机器人车体子系统。CUPSOCCERT0UR舳MENT比赛规定跟据MLROSOTMICH卜R01OTWORLD双方机器人在舞场上进行足球比赛，视觉系统对场上情景进行实时采集和处理，把辨识结果送给决策系统，通过无线发射器向小车发出一系列控制命令。小车在场上的表现直接体现了整个机器人系统的好坏。作者首先设计了小车控制系统的结构及主要的硬件电路。论文介绍了足球机器人控制系统的组成与行驶机构，详细叙述了小车控制系统的总体设计、CSP功能分析以及驱动电机选型讨论了小车控制系统的功能结构，钎对主要的电路结构进行了详细设计和分析，其中包括CPU的选择串行通信接口、电机驱动、速度反馈检测等模块。其次，提出了，小车控制系统的控制软件和编程思路。论文中介绍了软件控制的总体结构与功能模块，然后详细介绝了各个模块的程序编写，包括主程序、无线通讯枷议、PID控制。最后，为提I每系统的控制性能，进行了抗二F扰设计和改进电机的速度检测方法。并作了性能测试实验。关键字足球机器人、DSP、直流微电机、速度闭环控制、无线通I坷华人学硕十学位论文DSPBASEDRESEARCHANDDESIGNOFSOCCERROBOTCARCONTROLSYSTEMMAJLMECHALLICALMALLUFACLURJNGANDAU“11LAIIO儿IOSTGRADUATCI_IUAJ19XJLLYUSUPERVISORPROFXIAJ19ZHOJ1吕KLROBOTSOCCER，ISA11EWLLJ卫11TECHCOMPEIITIOLLWHICHWASDEVEIOPEDWIDCIYASANJNFER11AIIOJ1ALLVACTIVIIVI11LHERECELLLLYYEARSAI“10L嘤H“S1AS“NGTIMEWASSTILLNOIVERY10NG，ITALREADYAITRACTSEXTELLSIVENOICEANDJJLLERESTSONITSILLCEJII11CLUDCS11I2HIECLLAMUSENEILTA11DCOMPEIILIOLLROBOTSOCCCLREFEIN譬TOTHEFIELDSOFROBOTICS、INIELIJGENLCONIROL、DAIAFUSJON、COMPUTERTECHNOLOGY、WIRELESSCOMMUCATION、IMAGEPROCESSJNG、ARIIFICIALLIFE、MCCLLALLICSANDSOON，ISAGOODTESTBEDFORRNLLLIJAGCNTSVSTCMANDNLUNIROBOLLHCORVITALSOTFFERSAVJVIDRCSEARCHNLODELFORTJLERESCARCLLILLGWORKSOF【11EJ11ULTIAGENTSYSCERN111EOFYLJLCRCFORE，JLMAKES1ETLLCORYA11DPRACTICECOMPACIEDCIOSELYBASICALLVTHCWHOLESVSLEITLCOLLSJSISOFFBURSUBSVSLCILLSROBOIS、VISION，DECISIOJLMAKILLGANDCOMMUNICALIONSUBSYSIELLLACCORDILLGTOMLROSOTMICROROBOLWORLDCUPSOCCERTBURNAMENT，W11EN111EMALCHISRUNNING，HEDECISIONMAKINGSUBSYSTEMCONTROLSORMALLJPULAIESIHEROBOISBYPROCESSJN冀J11FORMATION，WHICHJNCIUDESROBOISA11DBALISPOSTUREFROMVJSIONSUBSVSTEMWITHAHOSTCOMPUIERANDSELLDSCOMMANDT0ROBOISDIRECILYFJRSTAIALL，IHESIRUCIURESANDIHEN10STLVHARDCOMPOILENISOF111ISROBOTCARCONIRJISVSLEMAREDESJGNEDTHECONSTNUTIONANDSLRUCTURESOF111EWHOLESVSTL111AREANAIVZED，ANDIHEFUNCTIONAND111EHARDWARESTRUCTURESOFDSPAREPRESENTED，ANDSOONTHEMAJNCONTEJLTI11CLUDEST11ECHOICEOFCPU，SEFIALCOMMUNICATIOINTEIFACECIFCUITSMOTORDRIVECONTROL，SPEEDFECDBACKDETEC“ONANDSOONSECONDLYTHETHESISJSALSOCONCERNEDWITHTHEDESI丹1OFCONLROISOFLWAREOFTHC8YSTENLACCORDILLGIOTJLECONIROLREQUJREMELLTSRL11JSPARTLJQ华人学颐一学位论文ANALYZESLJLESOF【WARESTRUCTURES，ANDIHCNDESJGNSEACHPROGRANLMODULETHATDEALWITHMAINPROGRAM，SERIALCOMMUNICATIONANDVERJFY，PIDCONTR01FINALLY，I11ORDCRTOI111PROVCTHEONTROLLINGPROPCRLYOF111ESYSTEITL，ANTIINTERFCRENCOANDMULTICVCLESVNCHRONIZATJONWITHT、，OCOUNIERSMETHODHASBECNDJSCUSSEDMEANIIME，THEDERFONNANCELESTISALSODRESENFEDKEYWOR出ROBOCSOCCELDSL，、，ELOCILYCIOSEDLOOPCONIROI，DCMICR0一ITLOIORSR2DJOCONLNLUNICACJONIV1绪论木课题“基于DSP的足球机器人的研究与丌发”来源于四川省应用基础研究资助项目00322129四川省重点学科资助项目SZD42523111机器人技术机器人一种可以反复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或者为执行刁I同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统【LJO机器人技术是在新技术革命中发展起来的一项高新技术邑足一门综合性学科综合了多种基础学科、技术学科及新兴科技领域的多方丽知U，突出地体脱了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合这一特JI。H从第一台工业机器人投入应川以束，机器人的发胜由钏级孙I】绒逐步完善，整个过程可分为三代第一代机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型机器人，它主要由央持器、手臂、驱动器和控制器组成。它的控制方式比较简N，应用在线编程，即通过示教存储信息。第二代机器人就是带感觉的机器人，它具有对一些外界信息进行反馈的能力，诸如视觉、听觉、触觉等。其控制方式较第一代机器人要复杂得多，这种机器人从1980年以来进入实用阶段，即将进入普及阶段。第三一弋机器人即智能机器人。虽然动物或人类的某些简单功能活动都可称为智能，但彼此有很大的差别，因此很难有统一的完善的智能机器人的定义。文献IL对它的解释是“可动自治装置，能够理解指示命令、感知环境、认识对豫、计划其操作程序以完成任务”。I业机器人最早应用的领域是汽车工业忆其中应用最早最多的种为焊接、喷漆和上下料。有人称这个领域为机器人的传统应用领域。现在，机器人广泛应用于海洋开发、宇宙开发、军事、农牧业、建筑、矿业、娱乐等很多领1绪论域。JF如宋健院士指出，“机器人学的进步与应用是20I些纪自动控制最有0服力的成就，是当代最高意义上的自动化。”12J从某种意义上比一个国家机器人技术水平的高低反映了这个匡家综合技术实力的高低。毋庸质疑，22世D机器人技术必将得到更大的发展，成为各国必争之知识经济制高点。12机器人足球比赛机器人足球是最近几年在国际上迅速，展起来的高技术对抗活动，虽然历时不K，但由于它集高新技术、娱乐、比赛于一体，所以引起了社会的J“泛关注昶IJ投大兴趣。足球机器人融计算机视觉、模式识别、决策对策、无线电数字通佶、自动控制祁最优控制、智能体设汁与L乜力传动等技术丁体，既足。个峨帅智能机器人系统，又为研究发展多智能体等系统理论提供了生动的珂F究模型，是理论密切联系实际极富生命力的成长点吼121机器人足球的起源让机器人踢足球的思想晟初是由加拿大不列颠哥伦比弧人学ALANMACKWONH教授于1992年在一篇题为“关于可视机器人0NSEEJFLGROBOIS的文章中首次提出。旨在推动人工智能学科的发展，为智能机器人提出一个新的具有标志性和挑战性的课题。这篇文章随后又被收录在计算机视觉系统，原理与应用”C0MPUTERSIONSYSTEM，THEO啊ALLDAPPCALIONS一书14】中。在同一时期，日本的一组研究人员于1992年10月在东京召丌了关于“人工智能领域的巨大挑L浅”学术研时会WIRKSHOP011G埘LDCH“LENGESIILARTIFICIALINIELLIGELLCE，OCT1992，T0KYO，与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对于发展科学技术的意义，并普遍认为让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具挑IL舭嘲研，课题。1993年3月，由刨舌MINORUASADA，YASUOKU【1IVOSILI，HIROAKIKIIL10在内的些研究人员就通过足球运动来促进人工智能利学和机器人技术发展的问题进行了正式的H论L”。122机器人足球赛的组织与构成环上机器人足球何两大暇J柑国际机器人足球联合会F1LN和机器人世界杯M01OCTII。NJTA足国际机器人足球饥会联合会FIRAFCDEMLIO】1OFIIL【CLAFIOILALLOIOISOCCCIASSOCIALIOLL，简称刚琢机器人足暇，成立于1997I6JJ，总部I殳扯韩幽人的韩国科学技术院KAIST。IJ胁已有30余个家的近酉个学校与利研院所是其成员单位，主要分卅，在洲、欧洲、澳洲、北戈干南美洲等地I基。1996印，在KAIST所在的韩5旧人举办了第一屈的MIMI环比赛。1997印6月，第一届微机器人足球比赛MSOLL97在KAISLL带仃IJ|N|J，凼15，J4JL人足列联盟FEDERIL沁NOFIIL【CAIIOI】ALILOBUTWSOCCERASS【CIALIULL，F儿乇AIHUI甜成也。RIFMFJRA扑令列；范何FRI专仃；久11C界怀比赛RIILR八O】1，F4I，J、F、产术会F义IIILTACO12ICSS，“I参ZFLI，艾；氚他”JF7F|JL嚣人圮J求FIJ|JM经验和技术。至今，F1RA匕组织丁D埘L器人足球界|F赛川AN0I要比赛顺H订MJROSOLHJGC，MID【IJCADSIILA】LLCILG【LC一微Z刚足刊JL人乩Z77，55用】33NAIOSOT超微型足球机器人比赛SILLLUIOSOTLAI学ANDMIDDLEK皑UE广一电脑仿真比赛ILLI和55ROBOSOT自主机器人比赛KHQCRASOC一一微型自主机人比赛HLIIOSOI人形机器人比赛闺】1MIMSOI机器人FIGURE11MJMSOIROBOTSL焰仑图12NAMSOT机器人F远ILIE12NAMSOTROBOCSI3SI兀1LLMSNI比赛界而图14R0BCSOT机器人1J川J。L3SIJLL【1R0SOLMI州】EI上I191LEHGLLRE14ROBOSOFROBOLS弧华大学硕十学位论文幽L5砌1E口E脚SO【机器人幽16HUI。SOT机暑S人FJGUREL51EIERASOTR0BOISFIGUFE16HUROSOLROBO【SR0BOCUPTHEROBOT、VORIDCUP“IJATIVE是国际人工智能学会组织的固际机器人足球协会，它是一个专门主办机器人世界杯赛的国际防会性组织，成立于1996年，总部设在日本名古屋。第一届机器人足球世界杯赛于1997年8月25同在日本名古屋与国际最高级别的人工智能学术会议一匡L际人工智能联合大会LCM97同时举行，以后每年举办一届。到目前为止，ROBOCUP已经先后举办了九届机器人足球世界杯赛。ROBOCUP的比赛项目主要有SIMUJLLIONLCA剐E电脑仿真比赛SMALJSIZELCAGUEF180小型足球机器人赛MIDDLR_S泣EKAGUEF20。0中型自主足球机器人赛S州LCGGEDROBOTKGUESONY有腿机器八足球赛HUMANOIDLEAGUEFROM2002人形机器人足球赛1绪论图】7R0BOCUP仿真比赛图18ROBOCUP小型组比赛FLGUIEJ7ROB。CUPS油UONHAGUEFIGURE18ROBOC“PSNLAILSIZCLC89UC幽19R。BOCUP中型组比赛FJGURC19ROB0CUPMIDDLESIZCLEAGU。图1RLOR0BOC“P四腿组比赛FIGURC110ROBOCUPS。NYK鹊CDLEAGUE【弭华人学硕L学位论文幽111R0B0CUD类人组比赛FJGURC11LR010CUPHUMA肿IDLCAGUE机器人足球运动已经经历了10年多的发展，从目前机器人足球的国际发展来看，主要有以下几个方面的特点1发展迅速，比赛规磷逐年扩人经过LO年的发展，ROBOCUP现有成员困近40个，参替队已经从最初的42支代表队发展到今天的254支球队。FLRA已经从晟初参赛的10个国家的23支代表队发展到25个目家组织的207支球队。可见机器人足球发展之迅速。2竞争激烈，比赛水平提高很快由于参赛队伍众多，除一些一流强队外，大部分实力接近，竞争趋于激烈。何厢杯赛符队的战术水平都雨明恩提高，都会出现新颖的软、硬件设汁和巧妙的RL浅术配合。这表明机器人足球己受各国的高度重视。3国际研讨，著名期刊、会议倍加重视机器人足球正以一种高科技对抗性的形式赢得学术界的认同。一些学术|J勘弧TCJOURIMTOHROBOTICSNDALLCO船MOH5SVSTE叶T、11LEINLEM击BFTALJOHM甜OFIHLELL睡M舢LN岫TDS啦COHLPHNN曲、妣N啦CI1TLHTEL堍ELLC曲笔都出版了足球机器人专辑。一些有影响的国际学术会议如、MC98、AROBIII98，AROB99等也都安排了这方面的专题讨论。一年一度的世界杯赛也洲R那|J召丌学术会议，推动相关学科的进展。4比赛形式逐渐向自主型，类人型发展机器人足球未来的发展方向是模仿人类足球，不仅是从机器人的智能行为上从机器人的结构上也是如此。独立视觉、独立决策的智能机器人个体参与的机人足球赛将是未来的发展趋势，足球机器人的移动机构也将迓渐由轮式机构向腿式机构过渡。13机器人足球关键技术机器人足球被称为“一个小平台上的技术战争”，它包含着许多关键技术以下主要介绍其中的八种关键技术，如图112所示1绪论PIGURE】12KO【0TSOCCERSCRL【LCAIICCLLNOLOGY列这八利啦术简要说明如下1机器人视觉技术它给机器人球队“眼睛”，即用来理解和判断【L赛环境机器动态变化。冈此比赛系统对机器视觉要求必须快速的以别球和双方机器人，并且准确的测定机器人和球的位置与方位。这种技术可适用于各种现场监视、非接触产品质量检验、防伪系统及各种实时智能控制系统的开发。2无线电通讯技术它给机器人球队提供“耳朵”，即用来解决备机器人之问相互联络所必需的通信网络系统。因此比赛系统对这个无线电通讯系统要求通讯必须可靠，不受干扰及防止通信阻塞。这种技术可适用于无线网络、分NI式控制、信息电器工程3C计算机、通信、消费电子系统的开发。3机电一体化技术它给机器人球队提供强壮的“身体”，即用来傈征能跑、抗J、扰JU，H踢球州产L爆发力的机体。于技术上的问题J帅I器人尚未装上两条腿，因此用电机驱动的轮子来代替“腿”。这种技术_J适用二】二各种使用R乜机驱动的家电产品及智能移动机器人的丌发。4智能控制技术它为机器人球队提供比赛必须的“决策”能力，即用来保证在复杂动态环境下，通过“知识”及时行动决策能力。实际上这个决策就是足球教练的专家知以系统。这种技术可适用于基于专家系统的各种智能控制东统的“发。5仿真技术它给机器人球队提供“学习”能力。它不但给机器人球队提供丌发比赛策略的环境，而且通过它能丌发各种比赛策略，并进行各种必要的训练和学习。首先在计算机建立机器人球队、球和场地的模型，然后在这个模I州华人学硕|J学位论文型上开发足球比赛策略。经过反复比赛，试验之后，将成功的策略移植到真正的机器人球队上进轭比赛。这种技术可适用于各种系统的战略、战术丌发，包括体育运动的策略、各种武器装备的策略丌发。6嵌入式计算机技术它给机器人球队提供具有一定知识的“大脑”，即用机器人上安装的专用计算机来控制机器人的“视觉”、“听觉”、“身体”的运动及决策的执行。因此它是机器人的控制的核心。对这种专用控制计算机要求体积很小，但知以存储量大，因此需要硬件与软件之阳J折衷。所以，在足球机器人系统中睫仆与软件的综合是一项很重要的课题。这种技术可适用于各种控制系统的J纠1彤册川算机及足、弹等符种嵌入，U|算机系统NJ丌发。7人工生命学技术它给机器人球队提供高级“技巧”，即它呆证机器人在复杂的动念环境中如何有效的避免碰撞列方机器人、不犯舰、以最佳路线到达目的地的路径规划。这个问题通过遗传算法和神经网络算法加以解决。这种技术可适用于各种机器人路径规划、系统辨泌及污水净化系统的丌发。8人一机接口技术它给机器人球队提供教练和球员之间的信息交互问题。虽然现在机器人足球比赛不允许人与机器人之间有任何通讯，但人类足球比赛可允许教练和球队之间通过喊声或手势互相沟通，因此未来机器人足球比赛也应允许教练通过“声控”或“手势”发出命令。这种技术可适用于基于虚拟现实的遥控操作系统。14机器人足球研究的目的、意义机器人足球之所以获得如此迅猛的发展，就是因为它是人工智能领域的理想突破点，又是吸引年青人科研兴趣与高技术攻关的完美结合点，也是密切理论联系实际的极富生命力的成长点。机器人踢足球，看似游戏，其实展示了一个国家信息和自动化技术的综合实力。足球机器人系统在许多领域有着J4。泛的应川IJ0景从技术的角度看，机器人足球的直接应用领域是各种智能机器人，包拈家用机器人、医用机器人、工业机器人和军用机器人等。最大的应圳领域是网络信息处理。未来网络信息空间中的软件代理将以类似于足球队员的方式，通过合作在竞争环境中完成预定任务。研究足球机器人对我们国家的科技1绪论发展与技术进步有着促进和推动作用。15论文的主要内容及构成本沦文系统的研究了足球机器人小车的硬件和软件设计与”发。论文首先介绍了整个机器人足球系统的组成和总体结构。在第三章里详细的论述丁基于DSP的足球机器人小车控制器的硬件设计方案，对小车的微控制器、F_乜扫闭J电肌驱动、述度检测、通讯JFL兀和FU泌血个部分进F了仝IIL的描述。解笞了CPU的选型，电机的选择和电机驱动，速度检测的实现等等问题。在列困内外足球机器人小车丌发现状的广泛明研基础上，提J出了一种基于DSP硬件T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、灵活性私曾棒性。第四章讲述了DSP的程序结构和开发，小车通信出议的设计，小车的控制算法以及实验结果。第五章讲述了机器人小车的性能测试及部分改进。媛后一章纪台当J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。I屿华人学硕十学位论文2足球机器人系统21足球机器人的原理组成基于全局视觉的足球机器人系统是一种集控式系统，属于FJRAMSOT类型，比赛舰则在一定程度上限定了系统的构成。个炮0微99足球机器人系统如图21，包括161悬挂在场地上方的摄像机和图像采集卡以30J咐秒的速率采集场地图像图像处理系统从每帧静止图像辨识场上小球、机器人的位置利朝向；2集中式决策系统根据球场上各实体的位置姿态信息，进行决策。对得到的敌我双方各机器人的动作分析，并进行动作控制输出控制命令如机器人的轮速设定3尤线数字通讯子系统是联结主机和啪I器人小车的桥梁，每个控制周期以广播通讯的方式，发出每个机器人的地址编码和速度命令；4机器人小车是两轮差分驱动的移动机器人，接受速度指令，对电机进行速度控制。幽21微口崛球机器人系统平台全视图FIBURE21G10BAIVIEWOFMIR0S。ISO。RROBOTSYSTEM从控制的角度，系统即为4个子系统，即视觉子系统包括图像采集没备及处理软件、策略子系统、无线通讯子系统以及机器人小车子系统。整个系2足球机器人系统厄呕亟冉匦搠I咂H蛭孽I口口L母_兰二二二茜|爿L。母_一一一固黑盯；L。母一_佃脶U；211决策子系统决策子系统根据现场的情况，如当目“比分、畦腔制球、对手的水JF等因素安排各自的策略，决定是进攻还是防守，再根据策略做出战术部署。策略应根榍比赛规则与经验进行提L叹，并存在知识库中。知识库还应有一个学习智能体【7J用以不断丰富策略。各利智能算法如神经网络、模糊、遗传算法等也都应用到构造策略库和策略选择过程之中。根据采取的对策，计划机器人的任务，转化成路径形式，然后发射出去，路径出一系列命令序列组成。212视觉子系统将各种成像传感器与计算机连成体，对传感器提供的图像进行加工处理或分析L里解，使计算机具有某种视觉功能，这就是计算机视觉吼对于足球机器人来说，视觉系统是它唯一感知环境的“器官”。没有视觉系统，它便一无所知，无所事事。足球机人视觉系统是山置于球场上力2米的摄像头及相关软硬什构成的。它的主要任务是不断地、快速地采集、处理赛场上的彩色罔像，并通过不断地辨U对丙黄色的高尔夫球和机器人外罩顶部的色标，及时得到场上运动物体小1I干U小球的有关数据，并将这些数掘传给主机，供主机上N0决策予系统进JJ分析决策使用。213通讯子系统M瓜OSOT比赛中，上位机和机器人之间以无线方式通信。主机的决策指令通过串行方式输出至无线通讯器经调制后发射出去，机器人内的无线通讯接收器接收信号并调解出其上所载的命令信息，然后传送给车载处理器。为使比赛中双方互不干扰，需要每队中有两种可选的通信频率。山于足球机器人系统宴时肚要求较高，这列通信速率也提出了较高的要求。在基于视觉的足球机器人系统中，机器人要靠上位机的指挥来精确和快速完成攻防行为。如果通信有误，必然造成机器人的溟动作，直接导致错失良机或丢球。再则，比赛ML器人问的相互碰撞是再所难免的。所以对无线通信的可靠性有很高的监水。此外，山丁机器人八JJ的刚通信装置的体积不能太大。2，LT4小车子系统机器人小车子系统按着决策系统的意图去完成一定的行为，在整个系统，H己扮浈毛执朋眯巾0如T。机器人小车了系统涉及机Z人学、机U体化、L乜力拖动与自动控制技术、高效电源、数字电路与单片机技术、精密安装与测试等多方面的知识。机器人小车子系统一般山动力驱动装置、无线通信接收单元、CPU板和能源部分组成。由于受到机器人尺寸的限制，选择一个在功能、尺寸、能量F【J耗适合的CPU是很重要的，能源系统必须存储足够的能量以驱动机器人参加足球比赛，同州为了保硼【L蹄扳的正7N】运行，必须保持L乜压的稳定。这部分为吱汁的咂心，我们将税F帝LH洋钏时沦小午予系统的硎。究与没计。22足球机器人系统的总体结构NJ白了机器人系统组成，对设计者来晚，选择硬件核心CPU、执行钳能体及传感器和软件控制策略算法，还应该考虑整体的结构。足球机器人系统匙是以视觉子系统为反馈环声的闭环系统，其总体结构如图23所示。R一。一一一一一一一一”一1幽23足球机器人系统构成FI目IRC23CO嘶GLLONOFSOCCER“BOLSYSLEM恨“I视觉系统的构成分为四种结构形式1通用结构如图24所示，匡J际上火多数的队是采用这种结构。主机接收视频数掘进行图像处理，得出球和队员的位置、方向、速度等，辨识攻守念势，做出决策，并将命令通过串行口送到发射器。特点足结构简单，成本较低，但视觉子系统的算法要占用许多主机CPU的时11IJ。JQ华人学硕十学位论文圈24通_绱构FJGURE24GENER“SICIURE2视觉用PCI卡实现做成PCI板卡的形式，利用PCI总线的高速度，采_I_1JDFPGADSP芯片的结构，视觉子系统的算法由硬件来完成，将队员位置等数据传给主机，以减轻主机负荷。特点是主机PC只要做决策子系统，大大减小了整个系统的控制周期，但成本较高，丌发技术难度较大。图25视觉月JPCI卡实现FJGURC25SIONRCALIZEDWILHPCICA珂3视觉在PC机外部实现视觉的处理部分与2相仿，但不是做成PCI卡是在PC机外用板卡来实现，再用并口或串口通信，将处理结果送给PC机。2足球机器人系统幽26视觉在PC机外部实现FIGURE26VISIONRCAL；ZEDOUTSJDEPC4用两台PC机来实现如图27所示，用两台PC机分别来完成决策和视觉的弹法，J明者通过并口电缆通信米交换数掘和控制信息，构建了一种决策和视觉并行处理的硬件环境。图27用两台PC机米实现F咖RE27MSIONREALIZEDWITH2PC足球机S人系统的实时响应速度是狄定系统竞争能力的重要因素。但对于足球机器人这种信息量大、资源配置有限和实时性要求很高的系统来说，研究如何选择系统的总体结构来提高系统的实时性能的河题有重要的现实意义。随着大规模集成电路和EDA技术的发展，各种高性能的的器件会大量现，并M成本会越来越低。我个人认为，视觉部分用PCI卡来实现会成为以后发展J0I流力M这种结FJ构建1；LIL真LM0决策_F见觉J行处理的硬件朋、境，满足机器人系统交时性JJ要求，人大减小了整个系统的控制周划。23足球机器人的技术要求足球机器人小车在整个机器人足球系统中相当于执行机构，但它的作川又小仪限川L。从比赛的角度蜕，它足上场比赛的队员。教练的I2戈术意图，最终要通过队员机器人来实现。所以机器人整体陛能的好坏对整个系统起着举足轻重的作用。对于MIROSOT机器人比赛来说，小车应满足以下技术要求1几何尺寸按照比赛规则，机器人小车长宽高R寸必须在757575CM3之内。2基本功能总体来北足球机器人应能准确接受主机指令并迅速做山反应，完成带球，传球。拦截，射门，防守等技术动作。为此，机器人应贝徭以F功能无线数字接受电机驱动及调速；障碍识别与遍障4二载控制器实现划上述功能的M涧及剥F4I几器各部分的控制。3运动性能为适应激烈剥抗的比赛环境，机器人应具备高度的机动性能耳U父活性，能平稳迅速地完成各利I狮进，后退，转向及急睁等基本动作，且满足以下要求前进，后退要走直线；转向转弯半径尽量小；2足球机器人系统急停或碰撞不能翻车。4可靠性高抗二R扰性参赛机器人的工作环境比较恶劣。二R扰来自各方山J，诸如赛场激烈的光线照射及J嫩相机闪光灯刑。红外检洲的二L二扰电机的电火花对无线通讯及控制器的干扰；猛烈的对抗，碰撞等。所以这些不汉对机器人结构而且对控制系统的设计，包括硬件线路及软件程序的设计都提出了更高的要求，都应具备高可靠性，在强干扰下也不死机，不失控。5坚固性比赛中碰撞及顶牛现象经常发生，这就要求机器人具有良好的峰吲性，一旦发生碰撞，机器人不能变形，电缆插接件不能松动，零部件不能脱落。顶牛电机堵转时，电路元器件不能烧毁。6可维护性剥一个装置而高，可维护性是很重要的，其包括硬件和软R卜维护在硬件结构的设计方面，要考虑便于安装测试和检修软件设汁L，要虑采用模块化结构设计，便二J悯试、纠错及升级。可充电电源应6哆及时方蚀地补允能量。7经济性性能价格比一直是方案设计中必须考虑地问题，如何在满足性能要求的FJU提下尽量选择国产或通用器件，如何通过软件或结构悯整提高系统性能，亦是设计方案优劣的鉴别标准。24足球机器人机电结构设计整个足球机器人硬件系统设计包括两个方面控制系统设计和机电系统设N在进行足球机器人控制系统I52计之6“，先讨论机电系统的改玑以便1后面的控制系统的选型和控制电路设计。机电系统设计包括控制电机选型及性能参数、机器人底盘选型和没计。241咖U乜结构设计进行机器人机电结构的设计的主要任务是将硬件的各部分组装起来，形成个整体。考虑到机器人的尺寸限制，各部分应合理安排，使得各个部分空间安排和性能达到最优。机电结构设计总体包含以下几个方面控制板扳层结构奠州，J11JF动FLJLU射【选择。J、F分”J，J沦。1控制板结构安排考虑到足球机器人的各项技术要求，并且参考国内外各机器人【H界杯参赛队伍的经验，机器人的机电结构没计为金属框架单层PCB板结构，雨加上机器人的底扳。F2机械传动列于足球机器人小车，有轮式和履带式两种可以考虑。履带式尽管运动平稳，但山于结构复杂，加工制作困难，故不宜选用。为获得较好的机动性和灵活性，选用轮式结构较好。在轮式结构中，由于三个或三个以上的轮予独立控制系统过于复杂，在本系统中也没有必要。所以选用两轮由两电机独立驱动的控制方式。除了两个主动轮外，为保持平衡，还应安排两个支撑轮，主动轮采用余属轮毂或塑制轮毅均可。为增大摩擦力可加胶圈作为轮胎。支撑轮可以朵川J阳轮，似比铰容易挺L洲【臻人小仆的重心，降低了系统的稳定性。在本系统H采川了块橡胶皮代替J轮，在实验中既起到了良好的支撑作用，又司以降低小车的重心。在系统中，四轮两轮两支撑的平面枷胃有如图28所石硼两种AB幽28机器人底捐车轮布置方案FI928CHASSISLAYOULOPIIONSOF啪B订EMBOL考虑系统的列称和稳定件最终选择了第二种B，试验效采亦良好。242控制电机的类型选择仵I乜动执行机构中，有直流电机、交流电机、步进电机和直接驱动电机等2足球机器人系统。实现旋转运动的LU动机，以及尖观直线运动的直线I|L机。划二移动小机人的|，J拍J，较为FJI。一FU目I自J氢浙INLJJKLUJL、交衍L伺服L乜几LI步进LUII川，它FF0特，肚、L作原理与控制方式如表21所示表2L不唰LU机的特性、I作原理与控制方式TIBLE21DIFFEREFMOLORSC11AMCIERISLIC、FUNC【IOLLCONTROLMODECONLMST电机主要特点构造与工作原理控制方式类型接通商流电邮。作。控制由永磁体定子、电，转述挖制采川LU直流简单；启动转矩人、体积小、重刷和换向器4勾成。通过压控制方式。两者成伺服量轻。转速和转矩窬易控制、效LH埽0和换I甸器趋LU流力止比，转剧空制采川电机率高；需要定时维护雨哽换LH刷，向随转予的转动角度而电流控制方式，两者使川寿命短、噪声人。变化，实现连续转动。也成LL比。没有电刷和换向器，无需维按结构分为同步和分为电JI控制与交流护驱动电路复杂，价格I高异步LU机。无刷直流1L频率控制两种方式，伺胀机F构_剐步LU机斗U异步IU机迎JK采川IB电机同，特性与直流电机相压控制。同。商接川数字信号控制与II酢机按产生转矩的方式可以永磁式足忡向励磁接口简单，没有电刷，维护方便分为永磁式，反应式精度高，但易火步寿命K，缺点是能量转换效率低，和混台式，混合式能，“反应式是双向励磁，步进易火步，过载能力弱。生较人的转矩应HJ1输山转矩人，转子过电机泛。冲小，但效率低；混合式是单双相嘞磁，分辨率高，运转平稳。步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构，得到越来越广泛的应用，进入了一些高、精、尖的控制领域111】。步进电机控制简便，其工作原理是将数字脉冲电信号转换为机械角位移或线位移。它可在宽广的范围内通过脉冲频率来调速，能快速启动、制动和反转；而且具有较好的丌环稳定性，若对精度和述度拧制要求更高州，LB可以采用闭环控制技术。但受尺寸限制，超小，魁西华人学硕学位论文N0且J进LU射L很难购买至。直流伺服电动机结构较步进电机复杂，但具有良好的起动性能和凋速性能，改变励磁方式，可以获得不同的运行特性。直流电动机车体尺寸较小。与步进机棚比，南流机具有更小的体积和更少的功率消耗。广泛应用于、I嘲【器人、汁算机外围砹备以及高皮伺服系统小。通过上述对比，本系统的电机最终选用真流电机。243直流电机选型直流DC电机的选择主要是从以下几个方面考虑的电机转矩，功率损耗，转速以及外形尺寸。1电机转矩如图29所示，是电机转矩及受力图。D尺卜鲍；T日一国FJ剖H29LU机转4|1矩及受力示意【划F遮29TORQUE，蚰DFORCEON恤MOLORBEANG直流电机转轴上的最小转矩可以通过以下公式计算静态摩擦力FKG滚动摩擦力FCR。R每个轴上的转矩T12F尺12女MG风每个电泐鞭乙。志鬻C式中，K车轮与地面之削的静态摩擦系数M机器人质量212223242足球机器几系统G7J有引力系数凡轴径R轮径HG齿轮筘系数1JLA|LIUI规格C的RU；JI静态转矩2电机功耗LL机助C尸，川L，VL乜机额定电压I通过电机的电流，且JTKT电流I也可以通过转矩IL算得到电机总转矩丁Z。L负载转矩瓦，内部摩擦转矩IJ如XKF因此卜专与每丢乏，。KKTKTKTKT。式中，KF乜机规格上的转矩常最MNRLA7LUJLJ观杆卜的J孽擦41扯常娶，FJ空载电流3电机速度I乜机转速由两项内容决定，电机供压和电流，关系如下ULXRKBERLJXNU一，厂KBLF所以，机器人的线速度V计算如下25262728N齿轮箱的减速比R电机阻抗KBEMF反电动势4外形尺寸考虑到比赛中，机器人尺寸受到限制，因此电机的尺寸也要受到限制。在有限的空问内合理安排布局也可以使电机尺寸的选择范围更广。5电机选型根据上述规律，以及本系统对机器人的要求，考虑选定R|州LLU机的型QJJ嘲；人质量约5IGLB机供脏8V；最人LU流50011认要求的最人线速度2MS；轮径225INLLL；轴径25111。则需要|_F勺扭矩L盅12FR12冲”L。G月U263NLN。M需要的轮速FL型垒型6768，MIN其巾，齿轮估I减速比忙81。小车车体尺寸小于75C，L75C“LX75C，7，所选择的IU机尺寸这里要求长度小于7西删。，直嬲黧，额定图210电彻黔的构标薏囵转螂州_000I而“嘶O。孟磊三；I。6SRPL们RPZILL日NLPNR1I竹INTM4一IN、K我们采用的的电机是瑞士。MINIMOTOR公司生产的2224一006SR永磁式直流电动机。电机部分山FU机、光学编码器和齿轮箱三部分构成，如图210所示。它的部分参数如表22山这些数据可见，2224006SR电机各项陛能指标均符合没计要求，成为最终的选择。2足球机器人系统表22LU机参数1HBLE22DCMOIOR7SDARAMELER矗且定L山F6V空线电流0029A终端LU阻190动作电压80MV输M功率446W摩擦转矩02MNM效率82空载转速820【RDM转子电感45UH转子惯量279CM础性材料NDFEB重量4昭JJ嚏常数KN1375MNL，V转矩常数KM694MNN似IU流，一投KFOJ“A111N。MJNF品叟一30控制系统是本设计的核心。不同的控制要求决定了不同的机器人设计结构业小的控制策N蠕。为完成足殴计，本章总体讨论了足球机器人体系纬构及机IU系统殴玑为后I断的控制系统改汁作；|J挚。主要内容首先介绍了足球机器人系统的组成，及总体结构，然后介绍了足球机抬人的性能要求，JI扫女后L、J沦J机I也系统的发汁。本章关于足球机器人体系结构利机电结构设计，使参考国内外诸多研究机构多年来的经验和成果上完成的。最终的实验结构证明这种控制结构体系适合丁木设计，机电结构满足了比赛的需求，具有较高的可靠性和稳定性。撕华大学砸十学位论文3基于DSP的小车控制系统设计如上章所述，虽然足球机器人系统是由视觉、决策、通信、机_人四个子系统构成再予系统存比赛巾抨司其职，1H赛场的观众关注的只有“运动员”机器人。为了和整个机器人系统区别JR来，我们称场上的“运动员”为机器人小车。“运动员”在场中的表现直接体现了整个足球机器人系统的好坏，显然机器人小车在系统中扮演着执行机构LQ角色，其性能的优劣对整个系统起着举足轻重的作用。31控制系统的总体构成这晕，之所以称机器人为机器人小车，是从功能上看，它更类似一种无线遥控小车，但它的复杂程度远远大于一般的无线遥控小车。图3，1是机器人小州J04二体示意图。削31机器人乍体图FIGURE31B0DYOFSOCCERMBOTKCAR机器人子系统是整个足球机器人系统的执行机构，在场中的表现直接体现了整个足球机器人系统的好坏，它性能的优劣对整个系统起着举足轻重的怍用。小车的典型结构如图32所示，小车主要由微控制器、电机和电机驱动、3基于DSP的小印控制系统设计速度检测、通讯单元和电源五个部分构成。I一一一一一一一一一一一一一一幽32小下的典型结构FIGURE32SINLCILJ睢OF轧CCCRMBOF飞CARSVSLEM32核心芯片的选择0【器人控制系统中，处理器件接受上位帆的指令，汁算和输出控制信号，监控系统状态，因此系统要求处理器具有较强的运算能力、较短的运行周期及高度可靠的性能。另外，兼顾到机器人尺寸、能量消耗等因素选择一个功能齐全的控制器是很重要的。定位合理的方案，可获得较高的性能价格比陋14L。当前国内和国际的机器人队选用的CPU主要有以下89C51或89C52，80C196KC，80C296SA，TMS320U诧407和H83062F。各种芯片各有优缺点我们挑取具有代表性的J占片对比，如表31以往的足球机器人控制器通常采用8位或16位的单片机作为微控制器。但是这些一心片都存在采样剧期氏，复杂的控；训算法难于实现等缺点。为了获得华人学硕十学位论文表3，L芯片优缺点刘比TABLE31LCCONTMST，钭写优点缺点成水较低开发难度小、|发J。Q_|JJ短。芯片述度较慢并没有F崾R_J生成的89C5】PWM波。复JJ“1控制算法雕_R实现。C8051FXXX系列单H机是完全集成的混合信号系统级购买凼难。C805L占片。速度快，体积小，只有与8051兼容的微控制器卜川亥。H内还集成J数捌采集制控制系统TJJ的模拟部什习|I其它数字外殴及功能部仆。操作直接面向寄存器空问高效的指令系统，可以进行稳定陛不太女F，处理80C19无符号数运算和有符弓数运算，也可作浮点运算三通迎度较慢。采样周FJ6KC道N0PWM输山，可H来直接控制某些电机；全双工串跃，复杂的控制算法行口带有看IIJ狗监视定时器性价比适中。难丁实现。80C29是INIEL继80C196系列嵌入式控制器的后续产，它的6SA处理速度更快，并且带有数字信号处理的硬件结构。TMS320C24X系列门儿FF目矗I星人的J矗个的，蛰CPU擘T点1SP、雅守编制为数字电机控制而改训的；指令执JJ速度快；I适应，夏杂。TMS32R尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法都能被采川；0LF24它粜成一体F|JPWM巾成模块1|IOEPLI变编码模块，IJ07A咀充分完成设计所需要的脉宽调制控制小车和LL土机返同的符号的币交编码外罔电路简单。H8系日立公司生产的高级单片机，它附胜能很强，并且内部带列的有128KI1ASH黜亨存储器和4K数据存储器。3062坐蚶的机器人子系统性能，现在CPU选择总的趋势是采用高性能和低功耗的高档控制器【15_1“。综合各方面的因素，我们最终采用DSP芯片TMS320LF2407。它只有快速3基1一DSP的小1I控制系统设计的运算处理能力和丰富的二号为L控制的外设旧；可以实时地完成许多移动机器人的复杂控制算法如模糊控制。另外，DSP的运算速度是单片机无法比拟的，即便在很复杂的控制中，采样周期也可以取得很小，控制效果更接近连续控制。TMS320LF2407的询多外发被利用事件管理器EV铲生4路载波比为20KHZ的高分辨力的PWM波，模数转换模蛆A，D用于电机的电枢电流检删I川路捕获单元CAPTUREL中的两个用于电机转速的测量，串行通信接口SCLJ。J迎“扳进行；ZJ厄线通信，祈门狗WD可以保衙DSP存恶劣的机U蚪境卜程序的IE常运行。321TMS320LF2407介绍在本节中，先概括地介绍数字信号处理器D西FAISJ印ALPROCESSOR的特点，然J|LU具体介绍TMS320LF鬯407的内部结构组成利性能特点。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118J。1哈怫结构是不尉于冯诺曼均NNEUMAFL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足两个互相独立；每个存储器独立编址，独立访问。与之相对应的是程序总线干数抓总线两条总线，从而使数据的吞吐率比冯诺曼结构提高了一倍。2J流水线与哈佛结构柏关，DSP芯月。7“泛采用流水线技术，即每条指令椭|JJ内多个功能单元分别完成取指、译码、取数、执行等多个步骤，从而在小攫L枷I频率的条什M少廿条指令的执行4M。3专用的硬件乘法器在一般形式的DSP运算中如FM滤波器和FFRR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。DSP薛片的特征就是有一个专用的硬件乘法器。乘法可在一条指令周期内完成。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。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、位反手寻址功能。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指令弭加上集成电路的优化哎计使DSP苍片的指令周期在30NS以下。快速的指令周期使得DSP芯片能够实时实现询多DSP应用。TMS320LF2407是美国TEXASI【LSTNIM