[硕士论文精品]基于dsp的足球机器人底层控制系统设计

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。ROBOCUP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ROBOCUP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DSP的机器人底层控制系统，以CCS2O为工具开发了机器人足球比赛程序，同时引入了数字PID控制算法。关键词ROBOCUP小型组机器人控制系统DSP数宇PID光电编码器ABSTRACTROBOTSOCCERG跏EISAWORLD、村DEHIG上1TECHCOMPETITIONSUBECTTHEGOALTOHOLDTHEGAMEISTOAPPLYASTANDARD1UESTIONTHERESEARCHOFROBOTSOCCERSYSTEMINVOLESNOTOMY血ETECLLILOLOGIESINMECHA工LICSELECTRONICS，ROBOTICS，SENSORINF0肿ATIONMSION，ANDIMELLIGEMCON订01，BUTALSOINCOMMULLICATION，COMPUTERVISION，COMPUTER汀APHICS，ARTIFICIALINTELLI窟ENCEA【LDOTTLERDOM血SROBOCUPSMALLSIZELEAGUEISONEOFTHEKINDSOFROBOTSOCCCRG锄ES，INWHICH也ET、VOTEAMSCON仃OLLINGCOMPUTERSTOCOMMLNLEIROWN5ROBOTPLAYERS，BYMEALLSOFADOPTMGGLOBALVISIONA11DRADIOCOMMUNICATIONNLODE，TOPLAYMEG锄EUNDERTHEGIVENNELDCONDITIONANDRULESINLISP印ERWEPRESENTT11EBASICSTNLCTILREANDP血CIPLEOFTHEROBOCUPSMALLSIZELEAGUER0BOTSOCCERSYSTEM，DESI觋ADSPBASEDCONNDLSYSTEMOFSMALLSIZEROBOT，A11DDEVELOPASETOFMATCHPROGR唧WITHVCNETMEAILWHJLE，WEANAL”EANDDISCUSSSEVERALS订ATEGVALGORITHMSKEYWORDSROBOCUPSMAIISIZEIEAGUEDSPROBOTCONTROLSYSTEMDIGITAIPLDPHOTOEIECTRICCODER11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ALALLMACKWONH教授在1992年的报告ONSEEINGROBOTS中首先提出的。ROBOCUP是THEROBOTWORLDCUPSOCCERGAILLES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。1997年8月25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，ROBOCUP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。ROBOCUP足球比赛ROBOCUPSEN，ER的主要项目包括1、仿真组SIMUL撕011比赛这种比赛是以CLIE州SERVER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UDPIP连接到服务器SERVER上，通讯通过UDPIP端口实现。比赛采取11对11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11为仿真组比赛现场。图11ROBOCUP仿真组比赛现场2、小型纽SMAIISIZE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12为小型组比赛现场。图12小型组比赛现场3、中型组MIDDLESIZE机器人比赛也称为F_2000，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12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50X50CM，重量限制在80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13所示。图13中型纽比赛现场4、S吖有腿LEGGED机器人比赛这种比赛采用四足机器人机器狗在6米X4米的场地上进行足球比赛，双方各有4个SONYAIBO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SONY公司的系列四足机器人，如图14所示。这种机器人结构复杂，控昔碓度大，充分显示了SONY公司的技术优势。目14SONY四腿LEGGED机器人比赛现场5、人形HURNANOID机器人比赛这种比赛旨在展示能够参加足球比赛、高度为40CM至180CM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。2004年的里斯本比赛中有16个队参加了人形机器人角逐图L5为比赛现场。4图15人形HUMANOID机器人比赛小型组比赛介绍ROBOCUP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180毫米的圆筒内，所以小型组也称为F一180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28米X23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PC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10分钟，中场休息5分钟并交换场地。比赛使用重量为46克、直径43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。ROBOCUP小型组的比赛场景如图16所示。图16ROBOCUP小型组的比赛场景在国内外一些学校设计的ROBOCUP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ROBOCUP小型组足球机器人底层控制系统采用的主控芯片是MSP430单片机，它的PWM输出口少不能同时控制多个电机，这样，使用多片MSP430会使底层控制系统电路变的复杂。12论文的主要内容本文对ROBOCUP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PID的方法来实现足球机器人的运动控制【231。6第二章足球机器人系统分析21足球机器人系统组成04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2122机械系统图21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。23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CPU中运行的程序组成底层控制电路包括CPU、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22所示。图22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PWM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CPU例如DSP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。24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SDC一4LODIGITALCOLORCAMERA，图像分辨率为640480。其性能如表21所示。表21SDC410性能表扫描特性NTSCSTANDARD525LINES，30FHMES，SEC图像设备INTERLINENANSFHSUPERHADCCD，410，000PIXELSCCD尺寸13111CH英寸有效的图像768HX494V隔行扫描21INTERLACE扫描频率HORIZOMAL15734KHZ15750KHZ，VENICAL5994HZ60HZ图像分辨率HORIZONTAL640TVLINES。VENICAL480TVL如ES视频输出级别VBS1OVPP75OHMS，COMPOSITE图像最小明暗度05LU】F1250IRE镜头标准CCSCOMPATIBLE输入输出接口型BNCREAR，AILENS4一PINDINSIDEPOWER号2PINT咖电源AC24V60HZORDC12V35W尺寸65WX52FHX133DMM265”X205”X524”、重量APPMX450G1LB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23。比赛场景图23视觉系统的工作流程25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24所示。10图24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CPU的缓冲区内，供CPU进行解释、转换和分配，以形成相应的机器人控制信号。26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。27本章小结简要介绍了ROBOCUP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31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31。无线接收LI电源电路LL时钟电路电平转换DIP选择开关5V33VXTALLXTAL2P删LIP州2TMS320IF2407AIOPDL10FIOPC0EPLQEP2QEP3QEP4L左轮光电II右轮光电IL塑里堡II塑里壁I图31底层控制系统框图硬件设计时将F2407的10PC口设置成输八模式并连接到DIP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10PC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PWM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QEP进行计数并判定电机旋转方向，再与PWM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CPU以中断的方式接收来自SCI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PWM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。32芯片选型底层控制系统主要应用的芯片3952SW、BIM433F、A3958SB、TMS320LF2407A、MAX603、IAX604、MAX232系统的主控CPU芯片选为TI公司的TMS320LF2407A。如图32。图32TMS320LF2407A的外观TMS320LF2407A1567J芯片的特点1采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33V，减小了功耗30MPS的执行速度使得指令周期缩短到33NS。2基于，IMS320C2XXDSP的CPU核保证了TMS320LF240X系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。143片内高达32K字的FLASH程序存储器，15K字的数据程序RAM，544字双口RAM和2K字的单口RAM4两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位通用定时器，8个16位的脉宽调制通道，它们能够实现三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINT出现低电平时快速关闭PWM通道；可编程的PWM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；16通道AD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192K字；64K程序存储器；64K数据存储器64KJO寻址空间。6看门狗定时器模块。710位D转换器最小转换时间为500NS，可选择由两个事件管理器来触发的两个8通道输入AD转挟器或一个16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。10基于锁相环的时钟发生器1140个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。125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。TMS320LF2407A芯片的内部结构如图33。图33TMS320LF2407A的内部结构图BIM一433一F无线接收模块用的是RADIOMETX公司的BIM一433一F双向通讯模块，由BIM一433一F芯片、MAX232、74LS04非门、KA7805三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18脚，6工作频率是433删Z，工作电压是27V“2V，数据最高传输速率为40KBPS，在室内传输距离是30米，室外可达120米。射频模块示意图如图34。图34射频模块示意图管脚说明L、3脚RFGND接地，2脚ANTENNA天线，4、5、6、7、8脚不用，9、10、18脚GND接地，IL脚CD，12脚RXD，13脚AUDL0，14脚TXD，15、16脚TXSEL，RXSEL，17脚VCC。其中射频收发模块的第15和16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31所示。表31射频模块发送、接收功能表1516功能1L降低功率1O允许接收O1允许发送O0自我检测KA7805作为电压转换芯片，输入为12V的电压，输出为5V的电压，主要作为稳压芯片，为射频发射模块和MAX232以及74LS04提供7输入电压。其封装图如图35所示。图35KA7805封装图KA7805内部电压转换图为图36。输图36KA7805内部电压转挟图74LS04作为一个反相器，在射频收发模块中给BIM433一F、MAX232KA7805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。MAX232其功能主要作为将RRL，CMOS电平和RS一232电平转换的一个芯片，实现PC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MAX232示意图如图37所示。C1VC1一C2C2一VT2翻ITR2拯L图37MAX232示意图MAX232内部电路图如图38。VOCGT1MMINMA哳T1L树TANR20UT图38MAX232内部电路图MBX603、MAX6045V33V或可调、低压差、低I。、500MA线性稳压器。MAX603、MAX604应用如图39。图39MAX603、MAX604应用图MAX603、MAX604的应用125V至LLV可调节的稳压器5V和33V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A3958SBA3952SW全桥脉宽调制电流控制电机驱动器是ALLIGROMICROSYSTEMS公司发布的一种新的连续控制直流电机驱动IC。A3958SB和A3958LB，这是具有处理2A的连续的电流的能力的驱动器，H一电桥，工作电压为5V的芯片。A3958SB的DMOS输出晶体管特点是具有低的RDS等级和在PWM同步调整期间的低功率消耗。A3958SBLB通过3线串口允许最大限度的灵活性，内部PWM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，A3958SBLB采用ALLEGR0的新ABCD3制造工艺。A3958SB采用24针双列直插封装，A3958SB是24引线的小型集成电路，两种包装都有改进的铜散热片。A3958SB内部电路如图310CP2CPPHASEOSCGROUNDGROUNDGROUNDGROUNDLOG|CSUPPL_YENABLEDATACLOCKCPVKEORANGEOUT日LOADSUPPLYGROUNDGROUNDSENSEOUL_MODEREFSTROBET忡目P斗OB一图310A3958SB内部电路图33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。331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一127到127，正负代表正反转，因此速度控制的量是O一127。电机每转一圈，车轮最外缘的线位移为33MM，所用电机的空载转速是每秒150转每分钟9000转，规定如果对机器人的速度指令为XO懈“一1几几几几几几R一几几几几几几R习几F1几N门NFL1F1门几门厂几1门门几N几1几门几丌厂R一】柚I疆、砩TIT图45增量式光电编码器基本波形和电路图432系统的测速方法采用光电编码器测速时，经常采用M法、T法和MT法。本系统应用的是M厂R法测速，M，R法即记录测速时间内码盘输出的脉冲数M1，又检测同一时间间隔内高频时钟脉冲数M2。设高频时钟脉冲的频率为FO，则测速时间TTM2FD，习惯上转速常以每分钟转数来表示，则电机的转速可表示为。皇旦型业竺塑ZTFZM2式中Z为电机每转一圈所产生的脉冲数Z倍频系数码盘光栅数测速示意图如图46。厂厂厂厂码盘输出脉冲R几RR几R几几厂1RRRR豪蒡时钟I叶ZLL程序设定的了了己搿I卜TT2|I1一”。图46测速示意图433误差分析在MT法测速中，测速时间是程序设定的计数时间TC，而脉冲数为TC时间内码盘输出脉冲个数，由上图可看出TC开始时刻与码盘输出脉冲上升沿并非一定同步到达，同样，TC结束时刻也很难与码盘输出上升沿同步，这两个时问差都与转速太小有关，而与高频计数时钟的频率无关，由此引起的计数和计时的时间偏差可能比高频时钟周期大得多，影响测速精度。由MT法测速的误差根源可知确保高频时钟脉冲计数器与码盘输出脉冲计数器同时开启与关闭是提高测速精度的关键所在。44DSP转速测量DSP在测速过程中要注意的几点。1捕获功能DSP的捕获单元使能后，输入引脚上的指定跳变脉冲上沿、下沿或两个边沿将把选定的通用定时器的计数值锁存，同时相应的中断标志被置位，并发出中断请求。2定时器的同步定时器2和3可由1来配置同步3高频时钟频率的选取可根据测速的需要，高频时钟频率可以为DSP的CPU时钟的12“N27也可是5MHZ以下的外部时钟。441MT法测速的实现相对误差与被测转速无关，实际系统中，TC取为2倍的测速周期，利用DSP测定转速时，采用中断的方法。当程序进入2TC的周期测速中断时，先打开捕获，当捕捉到码盘输出脉冲上升沿时，同时启动码盘输出脉冲计数器和高频时钟脉冲计数器，然后立即关闭捕获功能，在TC结束时刻，系统启动比较中断，此时再打开捕获，当检测到码盘输出脉冲上升沿时，同时读取两个定时器的数值再关闭它们，这样利用DSP对码盘输出脉冲沿的捕获实现了计数和计时的同步，脉冲计数器前后两次捕获值的差值代表码盘输出脉冲数，而高频计数器两次捕获值的差值则表示时间，测速周期的另一半TC为等待时间，是为等待TC时刻后下一个码盘输出脉冲上升沿所预留的时间。由图46可看出，M1个码盘输出脉冲对应的时间为TTL，M2个高频时钟脉冲对应的时间为TT2，则TTL和TT2之差不超过1个高频周期转速的相对误差为坐士5MS时，高频时钟频率为5MHZ，如假定T。时”21间内转速不变，则该时间内的5MHZ高频时钟脉冲数为2510。3510612500，时间绝对误差不超过02S，转速相对误差竺7999。LO5442测速参数的选取测速时间TC的选取与转速值的大小以及码盘的光栅数有关，即在TC时间内，必须保证至少有一个完整的码盘输出脉冲，以本系统为例，码盘的光栅数是2048，TC为25MS如要保证TC时间内来一个码盘脉冲，则转速应满足如下条件N旦竺1172RMMX702048X25O00L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90。的脉冲信号作为DSP正交解码电路OEP的输入，方向是通过检测两个序列哪一个先到达，DSP捕获的是码盘输出脉冲，而不是经正交解码电路QEP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PWM调制信号，最大调制值为127，电机的光电编码器为512线，机器人的最大运动速度计算如下每分钟的最大脉冲数1271000607620000PULSEMIN电机的最大转速762000020483721RPM减速比为L6，车轮最大转速372L6620转分车轮半径315MM，因此最大线速度为6203152。7【122711MMM证即122711L000602045N1S系统的每个控制周期为，33_3MS，所以机器人的最大运动速度也可以表示为。204533_3680985IILL7T不考虑实际PWM控制的非线性，足球机器人的PWM调制值与速度可以用简单的比例关系确定下来，即1个PWM值，对应机器人在每个周期运动6809851270536INM。443QEP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。TMS320LF2407A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QEPL，CAPL和QEP2CAP2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47，4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TDIRA这时不起作用。QEPI引脚QEP2引脚4倍颠计数脉冲厂厂L厂厂LNNR几NNNRRR莒数方向信J；_兰兰兰一T图47QEP电路信号图当引脚QEPL输入的编码脉冲超前QEP2引脚输入的编码脉冲90。相位时，定时器2增计数；当引脚QEP2输入的编码脉冲超前QEPL引脚输入的编码脉冲90。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EVA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T2CON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。45程序设计与调试底层软件程序包括1系统初始化对DSP芯片内部的各种功能寄存器、定时器、计数器、IO口、中断控制器等进行初始化设置，并扫描10PC口以确定机器人编号。2SCI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PWM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PLD速度修正。程序流程图如图48所示。图48程序流程图45DSP系统初始化包括SCI模块初始化、PWM模块初始化和QEP模块初始化，是系统功能得以实现的基本条件，程序如下SYSINITSETCINTMCLRCSXMCLRCOVMCLRCCNFLDP拌OEOHSPLK撑834EH，SCSRLSPLK撑0E8H，WDCRSPLK撑0FF00HMCRBSPLK撑0FFFFHMCI乙凸LSPLK群OFFFFHMCRASPLK撑0000HPCDATDIRCALLSCIINITCALLP，MINITCALLQEPINITLDP撑0HSPLK0003HSPLK拌OFFFFHIFRRETSCIRNITLDP捍OELHLACLMCRAOR撑02HSACLMCRALDP拌DPPFLSPLK群OOOFHSCICCRPWMINITSPLK撑0005H，SCLCTLLSPLK1；O002HSCICTL2SPLK群0001HSCIHBAUDSPLK群0003H，SCILBAUDSPLK撑0025HSCICTL1LARARL撑SCIRXBUFLARAR2群RXDPTRLDP拌OSPLK撑0003HIMRSPLKOFFFFHIFRCLRCINTMRETLDP弹DPPF2LACLMCRAOROODFHSACLMCRALDP存DPEVASPLK拌0FFFFHEVAIFRASPLKOOAAH，ACTRASPLK拌OOH，DBTCONASPLK捍60H，T1PRSPLK捍OA600H，COMCONASPLK捍O，TLCNTSPLK捍41H，GPTCONASPLK拌012C4H，T1CONCLRCNNTM47QEPINITRETLDP群DPPF2LACLMCRAOR0018HSACLMCRALACLMCRBOROOL8HSACLMCRBSPLK群0AD4HT2CONSPLK存00FCHCAPCONASPLKOAD4HT4CONSPLK捍OOFCHCAPCONBCLRCINTMRETTMS2000系列DSP的集成调试环境NIS2000系列DSP的集成调试环境如图49所示，编制好的DSP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49DSP的集成调试环境如图DSP的程序包括三个主要的文件CC源文件或ASM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；OBJ或LIB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CMD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INCLUDE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OUT文件下载LOADPROGRAM到开发板上才能对程序进行仿真调试。调试过程中，可以根据需要打开工作窗口观察寄存器、存储器以及某些变量的状态和信息。调试过程中遇到了OUT文件下载不了的问题，后来经过改CMD文件的程序下载地址后程序下载调试无误。46本章小结本章主要完成的是机器人底层控制子系统的软件设计，介绍了数字PID控制理论以及基本PD控制器、光电编码器的测速方法、软件流程以及主汇编程序设计与调试。49第五章结论与展望本文设计的足球机器人底层控制系统在采用了TI公司的DSP芯片之后，机器人在比赛场上对运动命令的执行速度比用普通单片机更快，这样就会在比赛中更能占的先机从而赢得比赛。PID控制算法的应用使得机器人在行经过程中速度更接近给定的速度值。经过近一年的对足球机器人系统的认识与研究我深深的感到机器人是具有感知、决策、行动和交互功能的智能机器。作为高科技发展代表的足球机器人研究，是人工智能领域的前沿课题，它不仅需要人工智能技术中的视觉、决策等技术，而且还需要和其它学科如无线电、通信、智能控制、机电一体化等关键技术进行有机的结合。因此，足球机器人的研究工作，不仅能够吸收其他学科的理论成果，还能根据机器人的发展需要，向这些学科提出新的目标和任务，从而扩大它们的研究范围和深度，增强学科间的联系和配合，相互促进，共同发展。本系统中的控制算法是数字PID控制，但对机器人的运动控制领域来说仅仅有PID控制算法是不够的，如果能加入模糊PID控制、专家系统或者是神经网络控制的话就能使机器人的行动更能自主化。这是我在近一年的实验和比赛中的得到的经验，希望能对以后智能机器人的改进和优化起到一些帮助。致谢经过一年多的努力，论文终于顺利完成，这是胡贞教授悉心指导的结果，在两年多的学习生活中，胡老师从严要求、耐心指导，关怀体贴、无微不至；无论课程安排、资料收集，还是课题选择上，都给了精心考虑和周到的安排，这不但使我的理论基础和实践能力都有了很大的提高，更重要的是我学到了良好的科研方法和工作作风。在此论文即将完成之际，我向胡老师表示深深地谢意和衷心的祝福另外在论文的完成过程中，特别感谢张智群、于秋水、王荔等实验室全体成员对我的帮助，在此表示衷心的感谢即将离别朝夕相处二年多的同学，心中依依不舍祝愿他们今后工作顺利、事业有成祝愿他们早日建功立业5678919参考文献孙剐等R曲0CUP小型足球机器人控制系统研究自动化与仪表，2003，34；3弗尔桂花，窦日轩运动控制系统谤华大学出版社，2002；L扣56方康玲，王新民，刘彦春过程控制系统武汉理工大学出版社，199919Q8杜啸晓，杨新施鹏飞足球机器人系统研究数据采集与处理，2001，1652236何苏勤，王忠勇NIS320C2000系列DSP原理及应用技术电了工业出版社，200269刘和平严利平，张学锋，卓清锋NLS320LF240XDSP结构原理及应用北京航空航天大学出版社，20024234徐科军，黄云志定点DSP的原理、开发与应用北京航空航天大学出版社，20035456王晓明，王玲电动机的DSP控制北京航空航天大学出版社，200435曷5韩安太，刘峙飞，黄海DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用清华大学出版社2003李哲英，骆丽，刘元盛DSP基础理论与应用技术北京航空航天大学出版社，2002陶永华，尹怡欣葛芦生新型PID控制机器应用机械工业出版杜，1998融16李士勇，模糊控制神经控制和智能控制论哈尔滨工业大学出版社。1998沈世镒神经网络系统理论及其应用科学出版社，2000雷玉堂王庆有，何加铭，张伟风光电检测技术中国计量出版社，19971IURTTEKALP著崔之祜江春，陈丽鑫译数字视频处理电子工业出版社。1998马颂德张正友计算机视觉计算理论与算法基础科学出版社，1998孙增圻等智能控制理论与技术清华大学出版社，1997席裕庚一类动态不确定环境下机器人的滚动路径规划自动化学报，20022816L17520023JONGJW蛐KIM，KW帅GCHOONKIMPATLLPL糊INGANDROLESELECTI