多功能机器人“灵狐”的研究与实现

1、序号： 编码： 第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称：作品名称：基于基于DSPDSP无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实的研究与实现现 学校全称：学校全称： 西北工业大学西北工业大学 申报者姓名申报者姓名 （集体名称）：（集体名称）： 周飞，崔海华，许斌，欧为军，王庆，周飞，崔海华，许斌，欧为军，王庆， 类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类 报送方式：省级报送作品高校直送作品说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根

2、据个人项目或集体项目填写 A1 或 A2 表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写 B1、B2 或 B3 表。所有申报者可根据情况填写 C 表。3表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4序号、编码由第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国组委会填写。5学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本） ，请以 4 号楷体打印在 A4纸上，附于申报书后，字数在 8000 字左右（文章版面尺寸 14.522cm） 。6发起高校的三件直送作品和各省（区、市）通过初评的作品（数量参照“

3、作品数额分配方案” ）各一式四份分别按全国组委会规定的时间用特快专递寄至全国竞赛组委会办公室。7作品申报书须按要求由各省或各校竞赛组织协调机构统一寄送。8其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。9寄送地址：复旦大学团委第九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛组委会办公室联 系 人：丁 力联系电话：02165642631传 真：02165642631邮政编码：200433A2 申报者情况（集体项目）说明：1必须由申报者本人按要求填写；2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；3本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。姓名周飞周飞性别男男出生年月83.783.7系别

4、自动化学院自动化学院专业测控技术及仪器测控技术及仪器学校西北工业大学西北工业大学年级大四大四学历本科本科学制四年四年入学时间2001.92001.9作品名称基于基于 DSPDSP 无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实现的研究与实现邮政编码710072710072通讯地址西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院907907 教研室教研室办公电话8849594388495943邮政编码710072710072申报者代表情况常住地通讯地址西北工业大学西北工业大学旺园学生公寓旺园学生公寓 5151信箱信箱住宅电话8237447682374476姓 名性别年龄学历所在单

5、位崔海华崔海华男男2121本科本科西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院许斌许斌男男2121本科本科西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院欧为军欧为军男男2020本科本科西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院其他作者情况王庆王庆男男2020本科本科西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院学校学籍管理部门意见以上作者是否为 2005 年 7 月 1 日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否（部门签章）年 月 日资格认定院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是否负责人签名：年 月 日B3申

6、报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写；2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片） ，也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称基于基于 DSPDSP 无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实现的研究与实现作品分类（ABCABC）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学

7、、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标一、目的： “机器人可以部分或完全地解放人类！”这是机器人最有诱惑力的一面。一个国家的军事力量是整个国家的综合国力的重要体现。综合上面的因素，我们积极开拓创新，大胆设想，针对 DSP 诸多高性能的特点，努力挖掘高性能机器人在军事领域的应用价值。 二、基本思路：将高性能 DSP 运用于军事领域，可以提高作战能力。同时我们利用步进电机作为执行机构，利用无线通讯编码技术进行通讯，利用无线图像传输技术及 GPS 定位技术进行定位，利用超声波传感器阵

8、列进行检测避障，利用语音识别及合成技术等实现特殊复杂功能。未来人类将会利用军事机器人执行各种特殊的任务。除了作战功能，我们制作的机器人还将具有舞蹈功能、逐球功能，这归功于美学及路径规划技术、图像采集和处理技术等的发展。我们的目标就是让机器人“无所不能” 。三、创新点：1.将高性能DSP运用到小型轮式机器人领域；2.运用GPS进行辅助导航功能；3.利用无线图像传输技术进行侦察配合精确打击（军事） ，以及高危环境的环境勘测（商用） ；4.机器人体积小，便于隐藏，还适合小环境作业；5.特定的语音识别技术使机器人更加智能化，如可以识别我方特工（军用） ，以及人机互动（民用娱乐） ；6.交互式无线通讯方

9、式可以保证控制的有效性，实时性。四、技术关键：该机器人涉及到的关键技术有 DSP 控制技术、无线通讯与编码技术、音乐美学与路径规划技术、图像采集传输与处理技术、GPS 定位导航技术、超声波检测避障技术、语音识别与合成技术、多传感器数据融合技术等等。 五、主要技术指标（实现功能）：一、机器人军事功能演示：机器人通过无线通讯接收指令；机器人开始往指定目的地运动，运动过程中，不断传回图像数据；控制台工作人员可以利用PC、控制平台及GPS定位信息控制机器人；到达指定地点实现特殊任务，如爆破。二、机器人舞蹈功能演示： 两个机器人编队在抒情的音乐下跳起优美的舞蹈；这期间可以实现图像定位、与人语音交互、超声

10、波测距、无线通讯接收命令等功能；演示方式一：用图像进行定位（半自主） ；演示方式二：用内部程序进行舞蹈（全自主） ；三、机器人逐球功能演示： 操作者利用已编好的软件通过摄像头对小车、小球、以及背景进行色样采点，然后由已编好的程序算出小车与小球的相对位置坐标，然后发送指令控制小车去追逐小球。六、部分技术参数：DSP：指令周期 25ns,AD 转换时间只需 375ns, 且含有 8 个 16 位 PWM 通道；GPS：利用 12 颗卫星，控制精度15m；超声波传感器精度：1cm；舞蹈用的执行机构理论精度 0.08cm；无线通讯传输速率 100Kbps。 作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、

11、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）一、科学性和先进性：基于高性能DSP无线通讯的军事机器人涉及数学、力学、机械、电子、自动控制、传感器、通信、计算机、人工智能及美学等多个领域的前沿研究和技术融合，其高性能的实时处理能力、高精度的定位能力、高可靠性的作战能力使之具有较强的军事作战价值。二、与现有作品相比，突出实质性技术：7.实现了DSP步进电机控制器的解决方案；8.采用无线通讯及编码技术可以远距离传输指令；9.设计出配合音乐节拍的路径（美学） ； 10. 建立了完整而实用的轮式移动机器人运动学和动力学模型；11. 运用超声波、无线视频传输和GPS组

12、合导航可使该机器人准确安全到达目的地；12. 将DSP和无线通讯编码技术运用在军事领域可增强国家国防力量；13. 对室外自主导航小型机器人这个前沿学科的探索，打破国外发达国家的技术封锁。 三、作品中有潜在价值的技术水平：14. 40MIPS运行速度使得指令周期为25ns，可以快速进行各种数值运算；15. 8个16位PWM通道，可产生任意占空比的波形；16. 步进电机工作在四相八拍方式下，可转几乎任意半径的圆圈，理论控制精度为0.0855cm；17. 无线通讯可一次性传输（收发）32个字节，接收方可以实现一系列的动作；通讯速度可以达到100Kbps，可以很好的满足对实时性有一定要求的场合。而且无

13、线通讯具有交互功能，可以进一步扩大应用空间；18. 单个GPS接收机定位精度小于15m，差分后可以减小到1m级别，甚至mm级别；19. 超声波测距0.12m，控制精度在cm级别；20. 语音识别既可以实现特定人也可以非特定人，而且正确率均在95以上。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果其基础框架构建作品基于DSP无线通讯的轮式移动机器人的研究与实现在校“三航杯”课外科技作品竞赛中获本科生科技制作发明类二等奖（一等奖空缺） ，当时我们只实现了舞蹈机器人功能。终审意见表为“基于DSP无线通讯的WMR作品采用了高性能DSP与无线编码技术，该机器人系统结构设计合

14、理、功能较强、智能化程度较高。 ”“该作品技术含量较高，涉及知识面较广，作为本科生课外科技作品，体现了作者较强的独立工作能力和科研创新能力。 ”作品所处阶 段（A）A 实验室阶段 B 中试阶段 C 生产阶段D （自填）技术转让方式作品可展示的形 式 实物、产品 模型 图纸 磁盘现场演示 图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测一、现有作品的特点和优势：21. 补充我国机器人种类，可增加我国军事力量，提高我国的综合国力；22. 运用高性能DSP技术提高作战整体水平；23. 运用高速无线通讯技术可以有效地保证实时性；24.

15、 具有超声波多路采集系统实现自我避障功能；25. GPS定位技术给导航提供很好的依据；26. 科技水平高，应用前途广。二、适应范围和推广前景：可适用于军事领域，可从事部分高危险性作业，如工作在核实验基地等； 可适用于商业领域，实现人机互动，伴随音乐进行舞蹈，键盘遥控等娱乐功能。可适用于体育事业，实现足球机器人功能。三、初步市场分析：在很多国家包括我国，特种机器人的数量不是很多。美国将机器人看作未来作战体系的中心，军事机器人无论在数量还是质量上均却遥遥领先，而且技术封锁。我国是一个军事强国，在军事方面肯定不可以落后。该产品具有价格低、体积小、控制精确、实时性高等诸多优点，相信再开发半年应该就可以

16、运用到战场上。除此之外，该机器人还可用于商业开发，主要是娱乐业和体育行业，商业前景广阔。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述 说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。机器人制作是近年来国际上迅速开展起来的一种高技术活动，它涉及数学、力学、机械、电子、自动控制、传感器、通信、计算机、人工智能等多个领域的前沿研究和技术融合，集高技术，娱乐和比赛于一体，能有效培养学生的动手能力、创造能力和协作精神，引起了公众的广泛关注和极大的兴趣。

17、根据文献资料，基于 DSP 的 WMR 制作在国外已经轰轰烈烈的开展起来，国外已经有一定这样的成型产品。但由于各种条件的限制，基于 DSP 的 WMR 在国内仍处于起步阶段。和该项目相似的在国内外有舞蹈机器人、足球机器人及巡迹机器人等，而且几乎都是用单片机实现的。为了改善机器人的性能，中科院自动化研究所接国家 863 计划制作了基于 DSP 技术和嵌入式操作系统技术开发研制了智能移动机器人系统 CASIA-I，同时国防科技大学为了参加足球机器人竞赛将处理器改为 DSP。 另一篇文章基于 DSP 的移动机器人的设计与实现表明上海交通大学已经有基于 DSP 的 WMR。在 中移动机器人的发展展望一

18、文中说道：“工业用自动引导移动机器人（AGV）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后，AGV 已经被提高到了一个新的高度了。缺少一套可以适应不同环境和任务的控制算法是目前制约移动机器人发展的最大障碍。目前的算法都仅仅能够适用在被规划好的环境，在没有规划好的环境中，机器人几乎是寸步难行。 ”种种迹象表明，基于 DSP 的 WMR 制作是一项新兴的项目开发事业，在国内尚且起步及技术封锁的情况下，我们小组自主研发了基于 DSP 无线通讯的 WMR，可以说，该 WMR 制作的科技含量走在了国内的领先位置。D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职

19、称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可） ； 3推荐者填写此部分，即视为同意推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。姓 名范蟠果范蟠果性别男男年龄4444职称副教授副教授工作单位西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院通讯地址西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院邮政编码710072710072推荐者情况单位电话029-88495943029-88495943住宅电话8849163788491637推荐者所在单位签章 （签章） 年 月 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述作品真实 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您

20、的评价基于 DSP 无线通讯的多功能机器人立意新、创新性高、涉及面广、技术含量高。该作品智能化程度高，集成了众多学科的前沿知识，是一个复杂的系统工程。将高性能 DSP 运用到军事领域本身就是大胆创新的表现；利用无线图像编码传输技术和交互式无线通讯技术可以保证控制的有效性，再配合 GPS 进行辅助定位导航，可以实现多种任务。特定的语音识别技术使机器人更加智能化。其它说明姓 名栾云风栾云风性别女女年龄5252职称副教授副教授工作单位西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院通讯地址西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院邮编710072710072推荐者情况单位电话8849281488492

21、814住宅电话1357200058613572000586推荐者所在单位签章 签章日期 年 月 日 请对申报者申报情况的真实性作出阐述作品真实 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价机器人制作涉及多个领域的前沿研究和技术融合，集高技术，娱乐和比赛于一体，能有效培养学生的动手能力、创造能力和协作精神，是近年来国际上迅速开展起来的一种高技术活动。基于 DSP 无线通讯的多功能机器人涉及电机与拖动技术、DSP 控制技术、无线通讯与编码技术、音乐美学与路径规划技术、图像采集传输与处理技术、GPS定位导航技术、超声波测距避障技术、语音识别与合成技术、多传感器数据融合技术等等，是一项跨多

22、学科、系统化的大项目。创意新、胆识大、科技含量高。该机器人的制作对我国军事机器人一个很好的补充作用，对提高我国的国防力量有一定的促进作用。 其它说明姓 名张英敏张英敏性别女女年龄4949职称副教授副教授工作单位西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院通讯地址西北工业大学自动化学院西北工业大学自动化学院邮编710072710072推荐者情况单位电话88493204-821688493204-8216住宅电话8849555688495556推荐者所在单位签章 签章日期 年 月 日 请对申报者申报情况的真实性作出阐述作品真实 请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价基于 DSP

23、的多功能机器人是机器人开发设计的新兴领域，其中无线图像编码传输技术，交互式无线通讯控制技术及特定的语音识别技术的应用有创新性，技术水平高，涉及领域广。同时利用 GPS 定位技术进行辅助导航，可以有效地保证机器人到达目的地。该机器人可实现多种军事功能,如侦察、爆炸物处理、安全巡逻、监视等等。若再加上履带式结构，可运用于野外作战。其它说明学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 校主管领导或校主管部门确认盖章 年 月 日 各省（区、市）评审委员会初评意见 评委签名： 年 月 日 各省（区、市）组织协调委员会审定意见 团 委 科 协 教 育 厅 学 联（签章） （签章） （签章） （签章

24、） 年 月 日E全国组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日 目目 录录第第 1 章章 绪论绪论 161.1 引言.161.2 移动机器人研究现状 .171.3 本课题研究内容及意义.18第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型 192.1 系统框架.192.2 灵狐机器人运动建模.20运动学模型运动学模型.21动力学模型动力学模型.23第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计 243.

25、1 DSP 驱动控制子系统.24简介简介.24的实现方法的实现方法.25驱动结构设计驱动结构设计.26步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型.26机械结构设计机械结构设计.27步进电机控制步进电机控制.283.2 无线通讯子系统.29无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用.29芯片选型芯片选型.29无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口.30软件编程软件编程.31通信协议设置通信协议设置.333.2.6 通信传输距离的计算.333.3 超声波子系统.34超声波测距原理超声波测距原理.34系统硬件接口系统硬件接口.34数据处理数据处理.35结果误差分析结果误差分析.363.4 无线图像

26、传输子系统.363.5 GPS 辅助导航子系统.38定位原理定位原理.38产品选型产品选型.39系统硬件接口系统硬件接口.40通信标准通信标准.41语句解析语句解析.413.6 语音识别子系统.42系统硬件接口图系统硬件接口图.42非特定人语音识别程序的编写非特定人语音识别程序的编写.433.7 音乐控制子系统.45系统设计方案系统设计方案.45音乐子系统的实现音乐子系统的实现.453.8 逐球图像处理子系统.46系统设计方案系统设计方案.46图像处理子系统的研究与实现图像处理子系统的研究与实现.47系统结构图系统结构图.47图像模型的选择图像模型的选择RGBRGB 模型模型.47空间坐标变换

27、空间坐标变换.48色标设计与识别色标设计与识别.50第第 4 4 章章 机器人底层控制算法设计机器人底层控制算法设计 514.1 PD 控制简介.524.2 系统实现.52第第 5 5 章章 实现功能及轨迹控制精度误差实验实现功能及轨迹控制精度误差实验 545.1 实现功能.54“灵狐排练灵狐排练”模式模式.54基于人的思维的反馈式近地侦察模式基于人的思维的反馈式近地侦察模式.55基于视觉闭环自治的逐球模式基于视觉闭环自治的逐球模式.575.2 轨迹控制精度分析.59轨迹精度误差实验的设计和实现轨迹精度误差实验的设计和实现.59误差分析误差分析.59第第 6 6 章章 总总 结结 616.1

28、概述.616.2 主要工作和创新点.616.3 作品适用范围及发展前景.626.4 研究结论.626.5 存在问题及工作展望.63主要作者本科阶段发表论文主要作者本科阶段发表论文.63参考文献. .63附录附录 1 1 配合音乐的DSP舞蹈控制程序.66附录附录 2 2 机器人性能参数机器人性能参数.67图11Sony公司 AIBO机器狗基于基于 DSPDSP 无线通讯的多功能机器人无线通讯的多功能机器人“灵狐灵狐”的研究与实现的研究与实现第第 1 章章 绪论绪论1.1 引言引言二十一世纪的钟声宣告了知识经济时代的来临，我国也相应提出“科技兴国”方针，大力发展科技事业。机器人是传统的结构学与近

29、代电子技术相结合的产物，是集计算机科学、控制技术、传感器技术、电机技术、机构学及美学等多学科为一体的高科技产物，它的出现和发展不但使传统的工业生产和科学研究发生根本性的变化，而且将对人类社会生活产生深远的影响。机器人的研究和应用水平，是一个国家经济实力和科技发展水平的反映，一个国家如果不拥有一定数量和质量的机器人，就不具备产品国际竞争的工业基础。因此，世界上许多国家，包括中国在内都对机器人的发展予以高度重视。机器人已发展50年左右了，虽由于涉及的技术太复杂，机器人还没有如人们预期的那样,但得益于相关技术的飞速发展，很多移动机器人即将进入人们的生活。在进入21世纪以后，已经有超过6家公司发布了家

30、用洗尘机器人，Sony公司的AIBO机器狗（图11）更是以超过1万人民币的售价在全世界范围内卖出了上万只1，这无疑给机器人市场注入了一只强心剂。同时工业用自动引导移动机器人（AGV）也得到了飞速发展，在拥有了视觉和激光扫描传感器之后，AGV已经被提高到了一个新的高度。在军事方面，随着高新技术的发展，各种类型的军用机器人已经大量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的军用机器人。目前军用机器人主要是作为作战武器和保障武器使用。在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能完成许多载人系统无法完成的工作，如运输机器人可以在核化条件下工作，也可以在炮火下及时进行战

31、场救护。在地面上，机器人为联合国维和部队排除爆炸物、扫除地雷；在波黑战场上，无人机大显身手；在海洋中，机器人帮助人清除水雷、探索海底秘密；在宇宙空间，机器人成了火星考察的明星。1.2 移动机器人研究现状移动机器人研究现状在美国，日本及欧洲的许多发达国家，由于移动机器人在人工智能理论研究、服务和娱乐领域的商业前景而受到重视，许多高校和企业都做了一定的理论研究和实践23，同样无线通信技术也在飞速发展45。我国的机器人事业起步较晚，移动机器人的研究早期主要集中在哈尔滨工业大学、清华大学、中国科技大学、上海交通大学等高等院校。下面介绍几个主要的移动机器人。美国 Active Media 公司成功地开发

32、了先锋系列轮式移动机器人。以 Pioneer2-DXe 为例，如图 12 所示， 它采用两轮驱动、一轮从动的结构拖动车体在平地上运动，基图 12 美国 Pioneer2-DXe7于西门子的 C166 的控制器在分析来自声纳传感器和图像传感器的基础上，按照一定的控制算法对分别驱动左右电机进行控制，从而实现机械小车的启停、转向等。澳大利亚墨尔本大学研制的轮式移动机器人 Robot J Edgar 可以用作视觉导航移动机器人应用的测试平台。如图 13 所示，小车体积较小，车体高 66cm，直径为48cm；小车采用左右两轮分别驱动、前后各装一个定位轮的结构，驱动速度达 40cm/s。系统集成了声纳传感

33、器和图像传感器。该机器人具有发现目标、自主避障的功能。1.31.3 本课题研究内容及意义本课题研究内容及意义（1）我国移动机器人研究及制作，在传感器、控制器和控制算法上普遍落后于欧美发达国家，特别是使用单片机作为机器人的控制器，不仅使整个电路系统复杂，而且在控制精度、控制算法及实时性方面均受到限制。本文正是突破这种传统做法，选用性能更强的 DSP 作为控制器的核心进行开发的。（2）目前，国内外许多学者从理论方面研究了驱动可行走机器人的运动规划以及控制方法，并且取得了丰硕的成果。尽管有许多控制策略考虑到了实际系统中存在的各种不确定性和扰动对系统的影响，从而建立了相应的鲁棒控制方法，并进行了仿真试

34、验，但这种理论上的模拟和实际应用的情况仍然相差甚远。要将这些理论上的控制方法应用到实际工程中去，必须首先经过实验验证，然后才能应用到工程实际。因此，研制轮式移动机器人的实验平台及相应的控制装置，并且在该装置上进行控制算法的实验研究具有十分重要的意义。（3）许多机器人，尤其是足球机器人，驱动几乎清一色是直流电机。直流电机速度快，但控制精度低。为实现无线高精度控制机器人，本文实现了 DSP 步进电机控制器的解决方案，理论控制精度达图 13 Robot J Edgar 70.08cm。（4）该作品适合于近距离侦察、攻击目标。基于蓝牙技术的无线通讯距离短，隐蔽性好，而且独特的载波监测、地址匹配、数据就

35、绪输出给破译和干扰带来相当的难度。（5）该作品还具有美学欣赏价值，又因其语音功能而具有人机互动能力，所以有很强的娱乐性，可向玩具商品方向发展。第第 2 2 章章 灵狐机器人系统及其运动模型灵狐机器人系统及其运动模型2.12.1 系统框架系统框架基于 DSP 无线通讯多功能机器人平台“灵狐”主要有三大功能，近地侦察、逐球和舞蹈。前两者均属于半自主系统，而舞蹈功能的实现无需反馈信息，属于完全自主系统。近地侦察是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，其硬件框图如图 21 所示。整套系统可分为七个子系统，即 GPS 辅助导航子系统、语音识别子系统、无线图像传输子系统、音乐控制子系统、DSP 驱动控

36、制子系统、无线通讯子系统及超声波子系统。无线图像传输子系统实时传输给控制台图像数据，同时 GPS 辅助导航子系统也实时地传回机器人所在的经纬度，控制人员根据所获得的信息通过无线通讯子系统控制机器人的运动。其中主控制台是系统控制器，DSP 驱动控制子系统和音乐子系统可以看成执行机构或控制对象，而无线通讯子系统则是主控制台和 DSP 驱动控制子系统中间的信息桥梁，超声波子系统、GPS 辅助导航子系统及无线图像传输子系统配合有效控制。超声波子系统GPS辅助导航子系统语音识别子系统DSP驱动控制子系统无线视频传输子系统无线通信子系统发送端接收端主控台显示器（GPS信息和图像信息）视频和GPS反馈灵 狐

37、图21 基于人的思维判断的反馈式近地侦察模式硬件框图逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，其硬件框图如图 22 所示。整套系统可分为图像处理子系统、DSP 驱动控制子系统、决策子系统和无线通讯子系统共四个子系统。视觉子系统感知场地上环境信息和运动物体的位姿状态，并将其传送给决策系统，决策子系统对这些信息进行分析处理，再通过运动控制函数和无线通讯接口将决策内容转化为输出指令，无线通讯子系统以广播通信方式将指令发送给机器人驱动子系统，机器人小车接受指令完成速度跟踪控制。决策子系统图像处理子系统运动控制子系统机器人DSP驱动控制子系统无线通信子系统发送端C无线通信子系统数字图像PC摄像头图

38、22 基于视觉闭环自治的逐球机器人模式硬件框图整套系统是一个完整的自治系统，它具有一个实时的视觉闭环。图23 是逐球机器人系统平台全视图。图23 逐球机器人模式平台全视图舞蹈功能由机器人自主系统实现，按指定路径伴随音乐节拍做相应舞蹈动作。2.22.2 灵狐机器人运动建模灵狐机器人运动建模轮式移动机器人是典型的非完整性系统，其物理含义是机器人不能沿轮轴方向运动5。非完整性控制系统没有孤立的平衡点，因此没有局部渐进稳定平衡点，只存在包含原点的平衡流形。移动机器人的轮子可分为两种类型：传统轮和瑞典轮。图 24(a)为传统轮的偏心方向轮。偏心轮具有全方位运动能力，同样瑞典轮也是全方位轮，如图 24(b

39、)所示，点的速P度为： （2-1）SXPUE)E(rV其中， 为轮子半径；为rXE轴的单位向量；为速度向量；为瑞典轮的滚动轴运动的单位向XUSE量； 、 为机器人质心的瞬时线速度和角速度。PV不同的轮式具有不同的运动能力和约束。通常用运动自由度 DOM 和舵性自由度 DOS 的组合形式（DOM，DOS）来定义轮式机器人的移动能力8。只具有两个运动自由度的 (2，0)系统为目前普遍研究对象。基于 DSP 无线通讯的 Agent 采用 2 轮差分结构，前后端分别有支撑的万向轮。 运动学模型运动学模型如图 25 所示，、 轴为机器人外部环境坐标系，而、轴所XYCXCY代表的就是机器人自身的坐标系。机

40、器人的位姿就是，TAAYXRP其中为机器人在绝对坐标系中的坐标。),(AAYXXOY图 24 移动机器人采用的传统轮和瑞典轮图 25 轮式移动机器人运动学模型 图 26 坐标转换确定机器人的位姿要引入坐标变换的概念。如图 26 所示，抽象化机器人为点，在绝对坐标系中的坐标为，在相对坐标系PXOY),(AAYX中的坐标为，机器人中心在绝对坐标系中的坐标为CCCYOX),(RRYX，在中的角度为 。则可得点在两种坐标之间的),(MMYXCCXOXOYP转换公式 （2-2）MRRAMRRAMAMARMAMARYXYYXXYXXYYYYYXXX)sin()cos()cos()sin(X)sin()()

41、cos()()sin()()cos()(假定轮子和地面之间没有滑动，即每瞬时与地面接触点的速度等于零。则每个轮子的运动学方程为： （2-3）LRrLyxrLyxsincossincos其中， 为 1/2 机器人左右轮间距；、分别为左右轮转动的LLR角度。假定机器人在轮子侧向没有滑动，即系统所受的非完整性约束方程为： （2-4）0sincosyx定义速度向量为： （2-5）RLPvvLLV2/12/12/12/1U其中，、为机器人质心的瞬时线速度和角速度； PV是机器人左右轮速度向量。我们可得到机器人的运动学TLRvvW方程可表示为： （2-6）PAAVYX1 0 0sin0cosPR同时可得机

42、器人运动轨迹的曲率半径为： （2-7）LRLRvvvvL)(当时，曲率半径趋向无穷大，机器人作直线运动；当LRvv时，机器人以质心为圆心原地旋转；当不等于时，机器人LRvvLvRv围绕瞬心作圆周运动。 动力学模型动力学模型达朗伯原理与虚位移原理相结合，可导出动力学普遍方程，是分析动力学的基础。动力学普遍方程可表达为统一形式6： （2-8）0qA(q)(q)AuB(q)G(q)qC(q,qM(q)T 其中，为广义坐标向量；惯性力矩矩阵；nRqnmRM(q)哥氏力和离心力向量；重力向量；输入nR)qC(q,nRG(q)rnRB(q)变换矩阵；控制向量；乘积因子向量；满秩约nRumRnmRA(q)束

43、矩阵。对于差轮驱动的移动机器人，定义广义坐标向量，则满秩约束方程可表示为：TLRyxq （2-9）00000 A(q)cossinrLsincosrLsincos引入乘积因子，满足运动学约束的动力学方程为： （2-10）221121321321ruIruILLIcossinsinymsincoscosxmLYRYZ 其中，为车身重量，为轮子质量；整个机器WBmmm2BmWm人绕轴的转动惯量，为车身绕的转动惯量；CZ22LmIIWZBZZBICZ，分别为右轮和左轮的输入力矩。综上所述，可以归纳总结出：1u2u （2-11）0010000010000000000000000000000032121

44、G(q) )qC(q,uB(q)M(q) ,uu,IIImmYYZ此模型可用于机器人的路径跟踪控制。 第第 3 3 章章 灵狐机器人子系统设计灵狐机器人子系统设计近地侦察系统是一种基于人的思维判断的反馈式无线控制系统，由七个子系统组成；逐球机器人是一种基于视觉闭环自治的无线控制系统，由四个子系统组成，现对每个子系统逐一介绍。3.13.1 DSPDSP 驱动控制子系统驱动控制子系统为了保证智能系统的功能扩展、技术的更新和控制算法的研究，系统应具有一定的开放性和软、硬件结构上的可扩展性。合理的模块化设计、有效的任务划分、系统实时性和多任务要求都是机器人平台上应该解决但还没有完全解决的问题。近年来，

45、数字信号处理器 DSP以其完善的结构和优良的性能在通信领域、消费类电子、汽车电子产品等领域的应用日益占有重要地位，使用 DSP 技术提升智能机器人感知、控制性能，提高计算能力，降低总体成本成为一种发展趋势。 DSPDSP 简介简介DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可以快速实现各种数字信号处理算法。TMS320LF2407A 是为了满足控制应用而设计的，其 16 位定点 DSP 内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解决方案。TMS320C24X 系列是美国 TI

46、 公司为电机控制设计的专用芯片，在其基础上升级了 TMS320LF240 x。除了具有一般 DSP 的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外，它还具有以下优点10： 采用高性能的CMOS工艺，使得供电电压降为3.3V,减小了控制器的功耗；最大可达40MIPS的执行速度缩短了指令周期，从而提高了控制器的实时控制能力； 片内高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据程序RAM，544字双端口RAM（DRRAM）和2K字的单口RAM（SARAM） ； 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（PWM）通道。它们能够实现：三相反相控制

47、；PWM对称和非对称波形；当外部引脚出现低电平时快速关PDPINTX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A/D转换器； 片内外设有看门狗定时器和实时中断定时器；可通过事件管理器触发1个16通道或2个8通道A/D转换器来处理反馈速度、位置、电压、电流等模拟信号；同时还有SPI、SCI以及多达40个的GPIO。PWMPWM 的实现方法的实现方法应用 DSP 产生 PWM 的原理图如图 31 所示。具体实现如下：通过设置TxCON 寄存器来确定采用连续增/减计数模式。计数器按设定的时间单位连续向上计数，当计数到设定的峰值时

48、，计数器立即向下计数则生成三角载波。在计数器计数过程中，如果设定的比较寄存器的值与计数器的值相等时PWM 脉冲输出端口自动输出高电平或低电平。 通过设置比较方式控制寄存器ACTRA 来确定PWM 脉冲输出端口电平为:强制高/强制低/高有效/低有效（根据功率器件的特性来定） 。 通过设置比较控制寄存器COMCONX 确定各路PWM 脉冲输出端口间为哪一种切换方式：（1）当计数器的值为零时切换（2）当计数器的值等于设定的峰值时进行切换（3）立即进行切换。 实际应用中，通过调节周期寄存器和比较寄存器的值输出一系列控制脉冲以满足不同的控制要求。 驱动结构设计驱动结构设计移动机器人优秀表现的基础是要有一

49、个良好运动特性的移动平台。机器人平台的驱动控制是机器人的一个关键部分，它直接影响到整个机器人运动的精度、灵活性乃至整个系统的可靠性，并且在整个机器人的构造成本中一直都占有很大比重。机器人驱动模块一般由主动轮、随动轮、固定支架、电机、驱动器及能源系统构成。机器人小车应具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转弯、停车等基本动作。在本系统中，机器人接收到主机的指令，以电机作为执行机构来控制机器人的运动。为了精确控制，系统以牺牲速度为代价采用步进电机作为执行结构。.1.1 步进电机简介及电机选型步进电机简介及电机选型步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输

50、入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。其最大优点就是不需要反馈控制，另外还有电路简单、容易与微型计算机联接、停止时有保持转距、维护方便等优点。 选择步进电机时，要明确电机的最高运行速度和拖动负载所需的力矩7。电机所能提供的速度及力矩取决于电机自身性能及驱动电压、电流等因素。步进电机的基本特性是随着速度的升高力矩越来越小。一般而言，电压越高，力矩随速度的升高下降的越慢；电流越大，力矩越大。除此之外，还要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计

51、算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。电机输出的总力矩，其中为电机启动加速力矩，FAMMMAM为摩擦折算至电机的转矩。本文采用42BYGH 永磁感应子式步进电FM机和SMD401型驱动模块，再配合DSP的脉宽调制电路构成DSP驱动控制子系统。电机步矩角，静转矩2.5Kg.cm，其接线和矩频特性分别8 . 1如图32和图33所示。SMD401采用单极恒压驱动原理，驱动电流可达1A。该电机工作在四相八拍方式下，可使机器人的理论线性运动控制精度为0.08cm，最高运行速度为2.92m/s。图

52、32 步进电机 42BYGH 接线图 图 33 42BYGH 矩频特性.2.2 机械结构设计机械结构设计目前国内外移动机器人平台通常采用传统的伺服电机作为驱动部件，必须通过相应的减速机构和传动装置才能够实现对移动平台的驱动，存在结构复杂，价格昂贵，自重较大等问题，不能很好地满足机器人系统的需要。如图34所示，机器人采用两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构是一种典型的驱动结构。两个驱动轮4分别由两个伺服电机3经过减速器5分别驱动，随动轮1可置于本体前部，可也置于本体后部。机器人移动平台的行进方向由两个驱动轮的速度差决定，通过对两个电机施加不同的速度控制量可实现任意方向的运动。这种结构的特点是运动灵

53、活，但对对伺服驱动系统本身的精度和动态特性要求非常高；而且由于采用减速器、码盘等使整个系统的结构复杂，从而带来机器人成本的增加。1234561 随动轮2 码盘3 电机4 驱动轮5 减速器6 本体1231 万向轮2 驱动轮3 车身4 电机4图34 两个高精度驱动轮和 图35 两个高精度驱动轮和一个随动轮的结构图 两个随动轮的结构为了既保留上述结构在运动方面的优势，又避免本体过于庞大，本文采用的两个高精度步进电机和两个随动轮结构如图35所示， 。左右轮2分别为驱动轮，前后分别有万向轮支撑，平台的运动速度取决于两驱动轮的运动速度。利用该种驱动方式设计的机器人本体运动灵活，可实现零回转半径，方向控制精

54、度高。该设计结构简洁，可维护性强。整个系统由于采取步进电机，不仅使成本大大降低，而且避免了减速器、编码器等的选型、装配等一系列问题，简化了电路，提高了系统的可靠性，减小了机器人的体积和重量。 步进电机控制步进电机控制由于步进电机结构上的特点，在一些要求高速度或平衡运行的场合就必须有一个逐步升速的过程，否则步进电机会失步；临到终点必须有一个减速过程，否则会造成过冲8 9 。在设计控制方式中本文充分考虑到以上因素的制约，通过曲线拟合逐步升降频。图 36 步进电机升降频曲线通过多次实验对比验证本文得出结论：曲线规律（如二次式）的加减速方案较直线式的方案在同样的拟合原理之下更具优势。图36(a)是匀加

55、、减速曲线。由于电机的电磁转矩与转速是非线性关系，如按线性关系加速时易造成转矩不足而失步。图 36(b)的曲线基本上可以满足转矩与加速过程的关系。本系统拟合出的升降频曲线方程为 （3-1）051970809976082719481141099760827122.x.x.y.x.x.y升升升升 在逐球机器人中，系统通过图像处理，配合 PD 控制算法，计算出机器人的轮速。通过无线通讯发送出去，DSP 接收到指令后控制机器人的运动。具体控制算法详见第 5 章。3.23.2 无线通讯子系统无线通讯子系统 无线通讯子系统作用无线通讯子系统作用主机的控制指令通过计算机串口送至无线通讯模块，经过调制后发送出

56、去。机器人上的通信接收器接收信号并解调，然后传送给车载微处理器。为了实现一对多的通信，一般都采用广播式传送，所有机器人采用统一的通信频率，而发给不同机器人的命令则根据各自的标识位加以区分。即每个机器人都能够接收到上位机发送的任一条命令，如果机器人检测出数据的某一个字节与自己的标识相符，则随后的命令被判断为有效，即要执行的命令。 芯片选型芯片选型蓝牙技术作为一种短距离的无线链接技术，具有稳健性、低复杂性、低功耗性等特点10 11。基于蓝牙技术的 NRF905 是一种高性能嵌入式的无线发送接收芯片，其由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，具有体积小、通信距离远、通信速度快等

57、优点。其中心频率为 430/868/915MHZ，具有高抗干扰GFSK 调制，数据传输速率 50Kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出特性。它内置完整的通信协议 CRC，可广泛适用于遥控机器人、无线报警及安全系统、水文气象监控、无线监测、家庭自动化等诸多领域12。图 37 由 NRF905 构成的 PTR8000由 NRF905 构成的 PTR8000 模块，如图 37 所示。它支持一对一和一对多的链接方式，在一对多的模式中，多个蓝牙结点共享传输通道。两个或多个（最多 8 个）链接的结点构成微微网（piconet） 。在一个 piconet 中，所有的结点都是对等的，但在 p

58、iconet 网建立与持续期间，其中一个设备被指定为主结点，其余设备被指定为从结点，而且调频的顺序由主结点的地址和时钟频率决定。主结点通过轮询的方式查找从结点，从结点只有在被主结点轮询到以后，才能占用通信信道，而且从结点之间不能直接进行数据通信1314。机器人整体性能的提高要求通信子系统在通信速度、通信质量等方面不断地予以改进和提高。 无线通讯子系统硬件接口无线通讯子系统硬件接口本文采用基于蓝牙技术的高性能无线通讯模块 PTR8000 和 DSP 构成无线通讯子系统。PTR8000 的硬件接口由 10 个数字输入/输出 I/O组成，模式控制接口由 TRX_CE、TX_EN、PWR 组成，控制

59、PTR8000 的四种工作模式。表 31：PTR8000 四种工作模式PWRTRX_CETX_EN工作模式0XX掉电模式10X待机模式110接收111发射本系统采用 DSP 对 PTR8000 进行控制，硬件接口电路如图 38 所示：图 38 PTR8000 与 DSP 硬件接口 软件编程软件编程由于与 RF 协议相关的高速信息处理部分已经嵌入在模块内部，PTR8000 可与各种低成本单片机或 DSP 等高速处理器配合使用；PTR8000 提供一个 SPI 接口，速率由微控制器设定的接口速度决定。在 RX 模式中，地址匹配（AM）和数据准备就绪(DR)信号通知 DSP 一个有效的地址和数据包已

60、经各自接收完成，微控制器即可通过 SPI 读取接收的数据。在 TX 模式中，PTR8000 自动产生前导码和 CRC 校验码，DR 信号通知 DSP 数据传输已经完成15。（1）配置编程上电以后 DSP 首先配置 PTR8000 模块。先将 PWR,TXEN,TRX_CE 设为配置模式，DSP 通知 SPI 将配置数据移入 PTR8000 模块；在掉电和待机模式工作后，配置内容仍然有效。配置数据只有当电源撤除后才会丢失。（2）发射模式 当 DSP 有数据要发送时，通过 SPI 接口，按时序把接收机的地址和有效数据送传给 PTR8000，SPI 接口的速率在通信协议和器件配置时确定； DSP 置