足球機器人的控制系統(tǒng)設計

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1、 足球機器人的控制系統(tǒng)設計 1 緒論 1.1 足球機器人的簡介 RoboCup是The Robot world cup Soccer Games 的簡稱， 1997年正式成立總 部設立在瑞士， 現(xiàn)有成員國 40多個。它是由國際人工智能學會組織的機器人世界 杯足球賽 (RoboCup)。 RoboCup機器人足球世界杯賽及學術大會是國際上級別高、 規(guī)模最大、影響最廣泛的機器人足球賽事和學術會議，每年舉辦一次。 1996年， RoboCup國際聯(lián)合會在日本成立，并于 1996年舉行了表演

2、賽，同時決定以后每年 舉辦一屆。自此機器人足球活動波及的范圍越來越廣泛， 比賽的類型也不斷升級。 目前， RoboCup競賽現(xiàn)分有仿真組比賽、小型機器人組比賽 (Small-size League(F-180)) 、中型機器人組比賽 (Middle —Size League(F2000)) 、Sony四腿 機器人比賽 (S0NY Legged Robot League)、類人機器人組、家庭組等比賽：迄今中型組代表該領域的最高水平。 中型機器人組比賽是 Robocup機器人足球世界杯賽的主要項目之一，自 1997 年第一屆 Robocup比賽開始即是正式比賽項目。中型組的

3、機器人是完全自主的， 擁有局部視覺系統(tǒng)，多種傳感器， 是典型的多智能體分布式控制的測試平臺。 所有的機器人必須完全自主控制， 并且不得在場地外設置和使用全局傳感器。 比賽機器人通過顏色來識別場地上的特定目標， 比賽規(guī)定如圖 1.1 所示，場地為綠色，官方比賽用球是任意橙色國際足聯(lián)標準尺寸 5號球，邊界為白色，雙方球門分別為黃色和藍色， 球門左右兩邊的角柱上下三分之一涂成己方球門的顏色， 中間三分之一涂成對方球門的顏色， 而比賽用的機器人必須涂成黑色， 參賽雙方機器人一方貼有紫色 (Magenta) 數(shù)標，另一方貼有藍色數(shù)標 (Cyan) 。中型組比賽中機器人的尺寸要求是不超過 0.5m

4、0.5m 0.8m，重量不超過 75kg。機器人之間可以通過無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊， 從而協(xié)調(diào)機器人之間的動作， 實現(xiàn)多機器人合作完成比賽目標。 圖 1.1 中型機器人比賽場地圖 1.2 RoboCup 中型組足球機器人 RoboCup機器人足球賽的目的主要是通過各種項目的競賽，提供一個標準的 平臺，使人工智能、精密機械設計、控制系統(tǒng)、傳感器設計、機器視覺、多傳感 器信息融合等技術

5、能夠在這個平臺上試驗、 整合。選擇足球作為這個研究的平臺 可以使眾多最新的科技能夠在這個富有挑戰(zhàn)性和吸引力的平臺上得到最快的檢 驗，也可以吸引更多的人和組織參與到這個項目中，促進機器人領域的發(fā)展。 足 球機器人是在動態(tài)環(huán)境中組建一支高速運動、 機動靈活的機器人球隊和一支具有 等同實力的機器人球隊的比賽，極具挑戰(zhàn)性。 倡導者們預言：“到 2050年，一個全部由自主的人形機器人組成的足球隊， 按照國際足聯(lián) (FIFA) 的規(guī)則將與當時的世界杯冠軍隊進行足球比賽， 并且要贏得 這場人機大戰(zhàn)的勝利。 " 這也是機器人足球發(fā)展的目標。 Rob

6、oCup的比賽項目主要有： Simulation League( 仿真 2D／3D組比賽 ) 、 Smal1-Size League( 小型組比賽 ) 、 middle-Size league( 中型自主機器人比賽 ) 和 SONY Legged Robot League(SONY四腿機器人足球賽 ) 等幾種。 RoboCup中型組是 RoboCup Soccer中的很重要的一種比賽項目，每屆比賽都 有很多世界的知名大學和科研結(jié)構(gòu)參加， 代表了機器人研究相應領域的世界最高 水平。 RoboCup中型組比賽的最大特點是比賽中沒有場地的全局信息，因此機器

7、 人必須攜帶自己的傳感器和視覺設備 ( 攝像頭 ) ，比賽時，機器人完全自主： 其傳感器、驅(qū)動器、 電源以及外部控制單元都必須是安裝在機器人本體上， 除了將機器人放入場地和拿出場地外， 其他場合不允許人的外部干預， 允許使用外部控制單元，但很多隊伍都沒有采用，比賽中，機器人與主機之間使用無線通訊系統(tǒng)。 根據(jù) RoboCup中型組 2004年比賽規(guī)則，比賽場地為 12m×8m的綠色矩形區(qū)域，球門一方為黃色， 在其球門線兩側(cè)球場邊界處是兩端黃色中間藍色的標志桿， 球門另一方為藍色， 在其球門線兩側(cè)球場邊界處是兩端藍色中間黃色的標志桿， 球 場用白線作為邊界和點

8、球、罰球、半場等的標記。比賽用球是橙色的 FIFA標準 5 號球。比賽雙方機器人隊員個數(shù)必須相等， 并且最多不能超過 11個球員，其中必須有一個守門員機器人。 隊員機器人基色為黑色， 在頂部帶有一個標志其所屬代表對的顏色， 每個機器人的大小大概在 50×50× 80cm的范圍內(nèi)，重量最多不能超 過 40kg。在整個 RoboCup中型機器人比賽系統(tǒng)中，一共需要八種顏色來區(qū)分物體和邊界，它們分別是：球場表面一綠色、球場線和球場邊界一白色、球一橙色、一方球門一黃色、另一個方球門一藍色、 機器人一黑色、 一方代表隊顏色一淺藍色、另一方代表隊一紫色。 RoboCup中型組機器

9、人比賽的規(guī)則非常詳細和具體，涉及到了方方面面， 這樣就能夠使得根據(jù)比賽現(xiàn)場的任何情況都有章可循， 為比賽的公平，公正奠定了良好的基礎 4 圖 1-1 RoboCup 中型組的比賽場面 根據(jù) RoboCup中型機器人的特點， 可見整個 RoboCup中型機器人的系統(tǒng)包括的研究內(nèi)容主要有移動機器人的本體設計與控制技術、 機器人視覺、 多傳感器信息 融合技術、智能機器人系統(tǒng)、實時規(guī)劃與推理、智能體結(jié)構(gòu)設計、

10、多智能體協(xié)調(diào) 設計、有限帶寬下的通訊技術等。 移動機器人的本體設計和控制技術以及智能體 結(jié)構(gòu)設計主要涉及到機械加工和自動化控制等方面的內(nèi)容， 良好的設計、 精細的 加工等要求都很高。機器人視覺既可以通過軟件來實現(xiàn)也可以通過硬件來實現(xiàn)。 軟件實現(xiàn)的優(yōu)點是成本低， 但是在實時性方面不如硬件實現(xiàn)效果好。 如果用硬件 實現(xiàn)則價格過于昂貴， 我們認為只要用軟件實現(xiàn)的速度達到要求就是可行的， 因 為即使用硬件雖然速度很快，但是我們的機器人本體運動速度最快為 2m／s，用 軟件實現(xiàn)也比這個速度快得多。 所以我們最終采用了機器人視覺用軟件實現(xiàn)的方 案。多傳感器的信息融合

11、技術主要包括場外的教練機如何根據(jù)多個機器人通過無 線網(wǎng)絡發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息進行篩選、 計算而得到正確的數(shù)據(jù)， 因為單個機器人得到的信息有可能出現(xiàn)誤差。 智能機器人系統(tǒng)和實時規(guī)劃與推理涉及到機器人的許多方面的內(nèi)容， 是人工智能在機器人上的充分體現(xiàn)， 以前還有許多技術沒有實現(xiàn)關鍵突破。多智能體協(xié)調(diào)控制主要涉及多機器人在比賽中如何進行戰(zhàn)術配合， 因 為 RoboCup機器人足球比賽跟人類的足球比賽一樣，只希望一個隊員就能破門得 分是很困難的， 而大部分的進球都是多個機器人靈活配合下的結(jié)果。 有限帶寬下的通訊技術主要是機器人之間、 機器人和教練機之間的及時通訊技術， 由于現(xiàn)在傳遞的

12、信息不是太多，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件下可以滿足比賽的要求。 中型組足球機器人的研究現(xiàn)狀 我國的足球機器人事業(yè)起步比較晚， 但是充分利用快速優(yōu)勢，發(fā)展迅速， 有些方面已經(jīng)接近或者達到國際水平。 1998年東北大學的 NEWNEU機器入足球隊成 立，它是一支硬件、軟件完全自主開發(fā)的機器人足球隊。先后獲得了國家 863智 能機器人主題辦和國家自然科學基金委的資助。 1999年8月，東大 NEWNEU IK出 征巴西，參加世界杯賽 FIRA CUP’99，獲 MIROSOT第五名，標準動作比賽冠軍， 實現(xiàn)金牌“零”的突破； 1999年10月，東大 NEWN

13、EU參加在重慶大學舉行的第四屆 全國大學生課外科技成果“挑戰(zhàn)杯”賽， 榮獲一等獎； 1999年11月，東大 NEWNEU 機器人足球隊參加在哈工大舉行的首屆中國機器人足球錦標賽，獲 S-MIROSOT和 MIROSOT兩項冠軍； 1999年9月，東大 EWNEU足球機器入系統(tǒng)作為中國科技領域的 最高成就被調(diào)進京參加 《光輝的歷程 - 中華人民共和國建國 50周年成就展》；1999 年 10月NEWNEU足球機器人系統(tǒng)作為國家 863計劃成果參加在深圳舉行的《中國國 際高新技術成果交易會》： 2000年3月，遼寧省科委主持了《威望足球機器人

14、研 究與開發(fā)》技術鑒定會，國內(nèi)權威專家一致認為：該系統(tǒng)“添補了國內(nèi)空自”， “達到國際先進水平”。 在經(jīng)歷了 2001年的低谷， 2002年東大 NEWNEU在軟件和硬 件方面都有了很大的提高，取得了不錯的戰(zhàn)績： 5月在韓國舉行的機器人足球世 界杯賽上取得了一項亞軍和兩項季軍； 6月全霞錦標賽包攬了圈頸冠軍； 10月受 FIRA總部指派參期予德國舉行的六強邀請賽并獲得了季軍。 在東北大學機器人足球隊自身發(fā)展的同時也為國內(nèi)十多個兄弟院校提供軟件硬件系統(tǒng)， 致力于促進中國的機器人足球事業(yè)發(fā)展。 在RoboCup比賽項目上，清華大學和中國科技大學代表了中國最高水平

15、。國內(nèi)的參賽隊伍一般都是參加 RoboCup仿真組比賽。中國科技大學是國內(nèi)最早開展RoboCup工作的單位，第一個闖入了世界杯 16強。清華大學則后來居土，在 2001 的 RoboCup仿真組中第一次參加比賽即一舉奪得金牌， 實現(xiàn)了中國 RoboCup金牌零的突破， 2002年又在日本摘桂，蟬聯(lián)冠軍， 獲得該項目比賽亞軍的是北京理工大學，這說明我們國家在 RoboCup仿真比賽中己居世界前列。目前也有一些院校在進行其它比賽項目的研究，并取得了不錯的成績。 今天中國的機器人足球正在逐漸發(fā)展和壯大起來，引起社會各界的極大興 趣，國內(nèi)己有幾十所大學和科研團體在開展這方面的研究。

16、他們對于中國的機器人足球事業(yè)的推動和發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻 。 中型組足球機器人研究意義 RoboCup 中型組 足球機器人 比賽是近幾年國內(nèi)外新興的一個組別 , 它要求多個機器人在完全自主的狀態(tài)下完成控球 , 傳球 , 配合 , 射門等動作 , 相當于一個分布式多智能體控制系統(tǒng)。 其中需要解決的關鍵問題包括： 圖像采集以及信號處理、 路徑規(guī)劃、無線通訊、控制決策、多傳感器信息融合等技術。因此 , 中型組機器人足球比賽最具挑戰(zhàn)性 , 也最能體現(xiàn)研究單位的科研實力。對智能 足球機器人 的研究成果可廣泛用于軍事、民用等眾多領域。 1.3 足球機器人的發(fā)展前

17、景 機器人足球方案的設計， 反映出開拓者們對人工智能學科前沿的深刻理解與 敏銳的洞察力。在足球機器人的開發(fā)過程中，不僅要遇到機器人學 (Robotics) ， 機電一體化，通訊與計算機技術等，而且還要面對圖像處 (Image-Processing) ，傳感器數(shù)據(jù)融合 (Sensor Data Fusion) ，決策與對策， 模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡控制，智能控制等學科內(nèi)容。 機器人足球， 它以高技術對抗的形式贏得了學術界的認同， 一些學術刊物刊 登了機器人足球的專輯， 一些有影響的國際學術會議也安排了專題討論。 一年一 度的 FIR

18、A CUP也同時召開國際學術會議，推動相關科技的發(fā)展。機器人足球成為 高科技與體育，學術與興趣，科技與娛樂的完美結(jié)合， 這便是它發(fā)展的活力所在。 機器人足球之所以獲的如此迅猛的發(fā)展， 就是因為它是人工智能領域的理想 突破點，又是吸引年青人科研興趣與高技術攻關的完美結(jié)合點， 也是密切理論聯(lián) 系實際的極富生命力的成長點。機器人踢足球，看似游戲， 其實展示了一個國家 信息和自動化技術的綜合實力。足球機器人系統(tǒng)在許多領域有著廣泛的應用景， 從技術的角度看， 機器人足球的直接應用領域是各種智能機器人， 包括家用機器 人、醫(yī)用機器人、工業(yè)機器人和軍用機器人等。 最

19、大的應用領域是網(wǎng)絡信息處理， 未來網(wǎng)絡信息空間中的軟件代理將以類似于足球隊員的方式， 通過合作在競爭環(huán) 境中完成預定任務。 研究足球機器人對我們國家的科技發(fā)展與技術進步有著促進 和推動作用。 1.4 論文的主要內(nèi)容 中型自主足球機器人賽在 RoboCup國際機器人足球世界杯中具有重要的地 位，中型自主足球機器人要求控制系統(tǒng)感應靈敏、響應速度準確、重量輕、體積 小。 本課題目的是研究設計一種 RoboCup中型機器人控制系統(tǒng)， 著重于從電路設 計方面提高其感應靈敏性、響應迅速性等。 1.5 本章小結(jié)： 首先根據(jù)控制

20、對象的控制要求來分析系統(tǒng)所需要的硬件結(jié)構(gòu)， 然后針對每一部分進行詳細的電路設計分析， 最后根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通過對機器人系統(tǒng)的動力學建模，完成了速度軌跡規(guī)劃，為各種機器人的速度規(guī)劃提供了一個方法， 再次通過機器人運動學建模，采用 PID 算法，實現(xiàn)電機的速度控制。 2 足球機器人的體系結(jié)構(gòu) 足球機器人系統(tǒng)是一個典型的多智能體系統(tǒng) (Multi-agent System) ，球隊擁有五個足球機器人。 五個機器人在場上具有各自的角色如： 前鋒、后衛(wèi)、守門員，在比賽中分別承擔不同的任務。 比賽中，球隊的五個足球機器人要根據(jù)場上的局勢，通過互相配合的方式完成

21、給定的任務， 與對方對抗。足球機器人是機器人足球系統(tǒng)中的本體部分，一切控制策略及算法最終都是通過足球機器人來實現(xiàn)的。 所以中型組足球機器人的本體設計對比賽起了至關重要的作用。 不同的控制要求決定了不同機器人的結(jié)構(gòu)設計和控制策略。 所以本章首先討論機器人足球賽中型組比賽的系統(tǒng)組成、 工作模式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 然后簡要介紹足球機器人的比賽的要求。 圖 2-l RoboCup 小型組機器人足球隊工作場景示意圖 2.1 足球機器人的系統(tǒng)原理組成 在

22、機器人足球比賽中 ( 如圖 2-1 所示 ) ，比賽雙方都通過懸掛于球場上方 3m的 攝像頭來采集信息， 并且通過視覺系統(tǒng)的分析從而將比賽情況傳入控制主機， 由 主機上的決策程序根據(jù)比賽情況做出恰當?shù)臎Q策和對策， 然后通過無線通訊系統(tǒng) 將最終的決策指令傳給機器人。 機器人接受到指令后做出相應的動作， 從而完成 整個工作流程。同時，在比賽場地上，機器人協(xié)同作戰(zhàn)，雙方對抗，各有攻防， 從而形成一場激烈的比賽。 我們可以把機器人足球系統(tǒng)分為下面幾個部分 : . ◆ 機器人小車子系統(tǒng) . ◆ 視覺子系統(tǒng) ◆無線通訊子系統(tǒng)

23、 . ◆機器人控制子系統(tǒng) ◆ 決策子系統(tǒng) 上述五個子系統(tǒng)構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。 決策系統(tǒng)的指令通過無線通訊系統(tǒng)發(fā) 送給機器人小車系統(tǒng)， 控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機器人相應的運動， 再由視覺子 系統(tǒng)采集場地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。 下面分別簡要介紹各部分的組成以及系統(tǒng)對各部分的設計要求。 Strategies Making Wireless Soccer Robot sub-system Communication Sub-system Sub-system playground Visi

24、on Sub-system 圖 2-2 足球機器人系統(tǒng)組成原理圖 機器人小車子系統(tǒng)是比賽的本體部分，其性能的好壞直接關系到比賽的結(jié) 果。它設計的關鍵在于機器人的軟硬件設計。 視覺子系統(tǒng)是整個比賽的最終檢測反饋機構(gòu)， 它扮演機器人的“眼睛”。 它的主要任務是利用攝像頭實時采集比賽場地上的圖像信息， 通過圖像卡處理并且辨別這些圖像，得到場地上運動物體 ( 包括雙方 8個機器人和球 ) 的相關數(shù)據(jù)，主 要是每個機器人的橫坐標 x x、縱坐標 y 和其方向角度 ，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主 機，以供主機上的決策系統(tǒng)進行分析決策使用。

25、 無線通訊子系統(tǒng)的作用主要是完成決策指令的傳輸， 將決策系統(tǒng)的結(jié)果發(fā)送 給各個機器人，使其執(zhí)行相關的動作。 決策系統(tǒng)上接視覺子系統(tǒng)，下連通訊子系統(tǒng)，是整個智能系統(tǒng)的中心樞紐， 是系統(tǒng)的“大腦”它主要功能是根據(jù)圖像系統(tǒng)提供的一系列的場景信息與及各 種傳感器信息， 對本方機器人的運動做出最佳的決策， 同時將機器人的運動指令 通過無線通訊系統(tǒng)傳給機器人 . 它的優(yōu)劣關系到機器人的智能化水平以及比賽的 成敗。 控制系統(tǒng)是決策系統(tǒng)和機器人本體之間的聯(lián)接部分，它是機器人運動的核心 處理部分， 如果決策系統(tǒng)是教練，那控制系統(tǒng)就是隊員的本

26、領，它的好壞關系到 機器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。 它的作用就是根據(jù)一定的算法來解析決策系統(tǒng) 的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機器人的運動指令，并且控制機器人實現(xiàn)相應運動。 2.2 足球機器人的系統(tǒng)工作模式 明白了足球機器人的系統(tǒng)組成， 對于我們來說， 選擇合適的硬件和軟件系統(tǒng) 還得考慮機器人系統(tǒng)的整體工作模式。 根據(jù)機器人的決策部分在整個系統(tǒng)的作用 位置，可以將足球機器人系統(tǒng)工作模式分為以下兩種： （i ）基于視覺的足球機器人系統(tǒng) (Vision-Based Mobile Robot System) ； （ ii ）基于機器人的足球機器人

27、系統(tǒng) (Robot-Based Mobile Robot System) ，而根據(jù)機器人智能程度， (i) 又可以分為： ①基于視覺遙控的無智能足球機器人系統(tǒng) (Remote Brainless Vision-Based Mobile Robot System) ，簡稱遙控機器人。 ② 基于視覺智能足球機器人系統(tǒng) (Brain On-board Vision-Based Mobile Robot System) 。 這樣我們就可以得到三種足球機器人的系統(tǒng)工作模式 第一種基于視覺遙控的無智能足球機器人系統(tǒng)，它所有的視覺處理、策略決 策和位置控制都在

28、主機上完成，就像遙控小車一樣。 第二種基于視覺智能足球機器人系統(tǒng)，這個時候機器人本體具有速度控制、 位置控制和自動避障等功能。 主機僅通過視覺數(shù)據(jù)來進行決策處理， 然后發(fā)出命 令給各個機器人， 機器人在根據(jù)命令做出行動反應， 為了實現(xiàn)自動避障和速度控 制，機器人上面都裝有紅外、加速度等傳感器。 第三種基于機器人的足球機器人系統(tǒng)，這時足球機器人具有很多自主性，所 有的計算包括決策、控制都在機器人上面完成， 而主機只處理視覺數(shù)據(jù)， 然后將 有關信息傳給機器人。這個時候視覺系統(tǒng)就類似于一種傳感器。 不過 , 任何一種模式的機器人都應

29、該具備一些基本模塊 : 驅(qū)動模塊、通訊模塊 和 CPU控制模塊。不過采用的模式不同，其設計方案都不同而已。我們系統(tǒng)的軟硬件設計就是基于第二種模式 ( 即基于視覺智能機器人系統(tǒng) ) 來設計的。 2.3 ．足球機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 比賽中，機器人足球隊的控制系統(tǒng)根據(jù)其功能層次， 可以劃分為決策控制和 運動控制兩個層次： 視覺 裁判 信息 信息 信息處理層 決 協(xié)調(diào)戰(zhàn)術層 策 控 任務層 制 動作層 運 動 速度軌跡生成 控 速度軌跡跟蹤 制 機器人運動機構(gòu) 圖 2-3

30、足球機器人運動控制總體結(jié)構(gòu)圖 如上層為決策控制部分， 它是一個多智能體系統(tǒng) (Multi-agent System) 的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 它的主要功能是預測“球”和場上對手的運動， 組織安排球隊級的戰(zhàn)術和配合， 利用多智能體協(xié)調(diào)控制算法為每個機器人安排各自的“任務”。 所謂“任務”即為機器人應該到達的位置及姿態(tài)。 決策控制部分采用分層控制處理結(jié)構(gòu)， 由信息處理層、協(xié)調(diào)戰(zhàn)術層、任務層和動作層組成，如圖 2-3 所示。 信息處理層： 處理場上基本信息，經(jīng)過預測分析，得出綜合信息并更新舊的公共信息庫為后續(xù)決策提供知識。 協(xié)調(diào)戰(zhàn)術層：根據(jù)公共信息庫的知識，從戰(zhàn)術庫中選擇有

31、利于我方的戰(zhàn)術，更新球員角色分配表。 任務層：根據(jù)角色分配表中自己的角色，確定自己的動作類型與目標坐標，更新私有信息庫。 動作層：根據(jù)私有信息庫的知識，結(jié)合場上現(xiàn)實情形，選擇合適的執(zhí)行方案并調(diào)用基本動作實現(xiàn)。 底層為足球機器人運動控制部分， 它的功能是根據(jù)多智能體協(xié)調(diào)控制部分的給定的“任務”控制機器人運動。足球機器人運動控制部分也可分為兩個部分： 速度軌跡生成 (Velocity Trajectory Generation) 部分：它針對決策控制部分制定的“任務”， 根據(jù)機器人當前位置、 當前速度、目標點位置和目標點速度，為足球機器人生成一條從“當前

32、點”到“目標點”的時間最優(yōu)的速度軌跡。 速度軌跡跟隨 (Velocity Trajectory Tracking) 部分：它控制足球機器人的驅(qū)動機構(gòu)，實時控制足球機器人的速度跟隨生成的速度軌跡， 使足球機器人完成規(guī)定的“任務”。 2.4 足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 足球機器人系統(tǒng)由機器人、系如圖 2-4 所示。 決策子系統(tǒng)處理來自視覺的視覺、 決策和通訊四個子系統(tǒng)組成， 其相互聯(lián)實 時場景辨識數(shù)據(jù)，作出決策發(fā)出命令， 通過無線通訊給機器人小車， 決策子系統(tǒng) 相當于機器人的“大腦”， 視覺子系統(tǒng)相當于機器人的“眼睛”， 機器人小車相 當于機器人

33、的“手腳”。 數(shù)字圖像 模式識別 決策子系統(tǒng) 視覺子系統(tǒng) 小 車 子 RB 2 系統(tǒng) 賽場  通訊子系統(tǒng) 圖 2-5 足球機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 MIROSOT機器人足球比賽的全視圖如圖 2-1 所示，它是由三個體積不超過 7.5cm× 7.5c m × 7.5c m 的機器人 ( 小車 ) 組成的球隊，在 150cm × 130cm球場 上自主運動。目的是將足球

34、 ( 橘紅色的高爾夫球 ) 撞入對方球門而力保本方不失球 或少失球。象我們所熟悉的足球比賽一樣，它具有一套判罰規(guī)則，如點球、任意 球等，由于電池容量有限，每半場五分鐘，中場休息 10分鐘、下半場結(jié)束時若為 平局，則有 3分鐘的延長期，也實行突然死亡法和點球大戰(zhàn)。 球場上 (2m處) 懸掛的攝像機將比賽情況傳入計算機，由預裝的軟件作出決 策，再通過無線通信方式將命令傳給場上的機器人， 機器人協(xié)同作戰(zhàn)， 雙方對抗， 形成一場激烈的足球賽。 比賽過程中， 雙方的教練員與系統(tǒng)開發(fā)人員不得進行干 預。 足球機器人系統(tǒng)的基本控制結(jié)構(gòu)見圖 2-5 硬件結(jié)構(gòu)在點

35、線框內(nèi) 人的干預 軟件 基于機器人的系統(tǒng) 集中控制器 特殊智能 基本動作 基于視覺的系統(tǒng) 動作行為 障礙回避行為 遙控無智能系統(tǒng) 速度控制器 左輪 右輪 編碼器 傳感器 RF 通訊模塊 硬件 圖 2-5 足球機器人基本控制結(jié)構(gòu) 除了特殊智能部分外每個機器人有相同的控制

36、結(jié)構(gòu)， 特殊智能部分， 包含著 每個機器人的特殊行為和策略，如守門員。 機器人基本行為有運動和障碼回避，基本動作有射門、定點射門、截球、防守和攔截等，在足球賽中最基本也足最重要的動作。在此基礎上在開發(fā)出特殊行為， 決策層根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)做出決策，具體是對每個機器人部署，即選擇動作， 再把動作分解成基本行為。這就是實時決策和動作決策選擇智能體 (ASM)。 1 無線通訊子系統(tǒng) MIROSOT比賽中，上位機和機器人之間以無線方式通信。主機的決策指令通過串行方式輸出至無線發(fā)射機， 經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去， 機器人內(nèi)的無線接收機解調(diào)出無線信號上所載命令信息， 然

37、后傳送給車載處理器。 在這種于視覺的足球機器人系統(tǒng)中，機器人要靠上位機的指導來精確和快速完成攻防行為。 如果通信有誤，必然造成機器人的錯誤動作，直接導致錯失良機或點球。再則， 比賽中機器人間 的相互碰撞是再所難免的。所以對無線通信的可靠性有很高的要求。此外， 由于機器人尺寸的限制，通信裝置的體積不能太大。 綜上所述，足球機器人系統(tǒng)中無線通信裝置需滿足以下四點要求頻率可選，通信速率高、性能可靠、體積小。 2 決策子系統(tǒng) 決策子系統(tǒng)應根據(jù)現(xiàn)場的情況，如當前得分，誰控制球，對方的水平等因素 安排各自的策略，決定是進攻還是防守， 再山策略庫做出戰(zhàn)術部署， 策略應根據(jù)

38、 比賽規(guī)則和經(jīng)驗進行提取，并存于知識庫中。知識庫中還應有一個學習智能體， 用以不斷豐富策略。各種智能算法如神經(jīng)網(wǎng)絡、 模糊算法、 遺傳算法學也可以應 用到構(gòu)造策略庫以及策略選擇進程中， 系統(tǒng)根據(jù)采取的對策， 計劃機器人的任務， 轉(zhuǎn)化為路徑形式，然后發(fā)送出去，由一系列的指令決策機器人的運動。 3 視覺子系統(tǒng) 視覺子系統(tǒng)是足球機器人系統(tǒng)的信號檢測機構(gòu)，由攝像頭、圖像卡等硬件設 備和圖像處理軟件組成。 它的主要任務是不斷地、 快速地采集處理賽場上的彩色圖像，并通過不斷地辨識橘紅色的高爾夫球和機器人外罩頂部的色標， 及時得到場上運動物體的有關數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)傳給

39、主機供主機上的決策子系統(tǒng)進行分析、決策使用。 目前廣泛采用的是固態(tài)攝像頭， 因為它具有穩(wěn)定性、可攜性和精確性等特點。 其中最具代表性的是電荷耦合器件攝像頭，簡稱 CCD攝像頭。 根據(jù)圖像采集卡功能的不同，視覺系統(tǒng)的組成分為軟件法、軟硬件綜合法和硬件法三種方式。 采用軟件法時，圖像采集卡只完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換。這種方式下，圖像采集卡的結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、 成本低，但由于主機要完成大量的數(shù)字圖像信息的處理，加大了 CPU的開銷。 采用軟硬件綜合法時， 圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換， 圖像壓縮等功能，這種方式的通用性強、 成本低、主機處理的圖像信息

40、量可以隨圖像的壓縮比的增大而減少。在圖像處理的精度范圍內(nèi)， 提高圖像的壓縮比可以提高主機的處理速度。這種方式的開發(fā)周期相對較短。 采用硬件法時， 圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化轉(zhuǎn)換、壓縮、分析和處理的功能，向主機傳送圖像處理的結(jié)果。由于大量的圖像信息都由圖像采集卡來完成， 從而減輕了主機的負擔，提高了系統(tǒng)的實時處理速度。目前，多采用 DSP技術來實現(xiàn)。圖像采集卡上有專用的數(shù)字信號處理芯片、采用這種方式， 圖像采集卡的結(jié)構(gòu)和功能都是根據(jù)不同系統(tǒng)的具體要求來設計的， 通用性不強， 設計的周期較長，設計的成本也高。 綜上所述，視覺系統(tǒng)要盡量提高圖像處理速度，提高辨識精度，還要對各自的不

41、同的環(huán)境有迅速適應的能力。 4 機器人車體子系統(tǒng) 機器人車體子系統(tǒng)按照決策系統(tǒng)的意圖去完成一定的行為，在整個系統(tǒng)中， 它扮演著執(zhí)行機構(gòu)的角色， 機器人車體子系統(tǒng)一般由動力驅(qū)動裝置、 通信接收器、CPU和能源系統(tǒng)組成。機器人一般采用兩個電機分別驅(qū)動兩個輪子，電機要考慮力矩、轉(zhuǎn)速、能量消耗等因素，并選擇合適的電機控制芯片，由于受到機器人尺 寸的限制，選擇一個在功能、尺寸、能量消耗適合的 CPU是很重要的，能源系統(tǒng) 必須存儲足夠的能量以驅(qū)動機器人參加足球比賽， 同時為了保證電路板的正確運 行，必須保持電壓的穩(wěn)定。 微型機器人的四個子系統(tǒng)通過計算機視覺閉環(huán)而構(gòu)

42、成的智能決策與控制系 統(tǒng)他們共同協(xié)調(diào)運作構(gòu)成一個有機整體，其邏輯關系如圖 2-6 所示。 決策子系統(tǒng) 無線通信子系統(tǒng) 機器人車體 子系統(tǒng) 比賽現(xiàn)場 視覺子系統(tǒng) 圖 2-6 足球機器人系統(tǒng)構(gòu)成 可以說，機器人足球賽實際上是目前國際機器人界關注的多機器人智能系 統(tǒng)的演練，它涉及到機器人的相互作用，協(xié)調(diào)交換知識，通過相互動作配合以 期望在整體上完成一些非常復雜的動作，多機器人的動作協(xié)調(diào)配合以及系統(tǒng)控 制是當前機器人及人工智能研究中非常前沿的課題。

43、 2.5 機器人總體結(jié)構(gòu)設計 足球機器人是一種無線智能移動小車， 為適應比賽需要， 機器人設計應包括 CPU板、通訊模塊、傳動驅(qū)動、傳感器等部分。且應滿足以下幾點技術要求：滿足尺寸要求： ( 切線、轉(zhuǎn)速 ) 運動性能好；反應靈活：平穩(wěn)性好；強壯性；可維護性：制造成本低。 1．尺寸限制： 參加 MIROSOT比賽的機器人尺寸不大于 7. 5cm× 7. 5cm× 7.5cm。 2．功能要求： 根據(jù)系統(tǒng)所選擇的：工作模式，機器人應具有以下功能： · 無線數(shù)字接收 · 電機馳動及淵速控制

44、· 基本障礙叫避 3．運動性能： 為適應激烈對抗的比賽環(huán)境， 機器人應具有高度的機動性及靈活性， 能平穩(wěn)迅速地完成前進、后退、轉(zhuǎn)陽及急停等動作。 4．可靠性： 參賽機器人的工作環(huán)境比較惡劣。 有來自各方面的干擾， 如賽場強烈的光線照射對機器人障礙檢測的干擾；電機啟制動火花的無線通訊及車載計算機的干 擾：以及對抗、碰撞等產(chǎn)生的干擾。這些干擾以及比賽中經(jīng)常出現(xiàn) “頂?！爆F(xiàn)象 ( 電機堵轉(zhuǎn) ) ，機器人控制系統(tǒng)硬件線路設計都提出了一定的要求。 5．強壯性： 在機械設計上， 機器人應具有較好的勞固性， 在激烈的碰撞中不至于發(fā)生機械

45、變形，各種接插件不能松動、脫落。 6．可維護性： 對于一個裝置而言。維護性是十分重要的。維護包括硬件維護和軟件維護。因此在硬件結(jié)構(gòu)設計上要考慮便于安裝拆卸、 調(diào)試檢測；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，以便于調(diào)試、升級。 7．經(jīng)濟性： 較高的性能價格比一直是開發(fā)設計中追求的目標。 對于運動部件來說有輪式 和履帶式 (Caterpillar Type) 可供選擇。履帶結(jié)構(gòu)直線性能好運動平穩(wěn)，不會滑 動，但轉(zhuǎn)向性能不好、結(jié)構(gòu)復雜，加工制作困難，故不易選用。為了獲得好的運 動特性，采用四個輪子，稱為全方位機器人 (Omni directional Robot) ，增加

46、靈活性，但同時也增加了制作和控制的難度。 在輪式結(jié)構(gòu)中雙輪結(jié)構(gòu)方式 (Bi-wheel type) 具有易于建模和控制，平滑性能較好等特點，只是輪子可能會與地面產(chǎn)生滑動。 NEU隊采用雙輪式結(jié)構(gòu)， 且輪子為固定式的。 為使得機器人在場上能夠機動、 靈活的運動，采用兩個電機分別驅(qū)動兩個主動輪。 為增大主動論與場地的摩擦力， 可加 I 膠圈作為輪胎。除主動輪外，還應安排兩個支撐輪，采用萬向輪為好。四 輪的平面圖如圖 2-9 所示。圖中 (b) 方式較好，同轉(zhuǎn) ! 半徑可以為零。在 WMR(輪式 移動機器人 ) 設計有三種類型輪：傳統(tǒng)型輪、全方位型輪和球型輪。另外傳

47、統(tǒng)類 型輪上常安置一個導向桿提供一個自由度， 在機器人小車中用作導向輪而球型輪 有三個自由度，是最靈活的類型。全方位型輪結(jié)構(gòu)復雜，故不常用。 NEU隊采用 兩個傳統(tǒng)型輪作為主動輪，用兩個小球形輪作為支撐導向輪，如圖 2-9(b) (a) (b) 圖 2-7 機器人四輪布置方案 此結(jié)構(gòu)的自由度 (Degree of mobile abi1ity) 為2，舵性自由度 (Degree of Steer ability) 為 0( 因為沒有能夠獨立改變機器人方向的舵

48、輪 ) ?？梢钥闯觯? 7.5cm 3 的尺寸限制內(nèi)， 設計具有上述功能及特性的機器人小車． 其關鍵在于采用 高集成度、微型化技術和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。 2．6 足球機器人的機電結(jié)構(gòu)設計 四輪傘向足球機器人。 它具自特殊的驅(qū)動輪設計及布置方式， 因此它具備平面上的全自由度運動能力。 機器人總體結(jié)構(gòu)從上往下分為三部分： 最上部分足上色標板，用于機器人視覺系統(tǒng)的識別機器人位置、方向及編號： 中間安裝的是控制電路板；最下面是機器人的機構(gòu)部分．其主要由車體底盤、驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊挑球機構(gòu)組成。

49、 圖 2-8 足球機器人驅(qū)動輪設計及布置圖 1．驅(qū)動機構(gòu) 足球機器人之所以能全向運動在于它特殊的驅(qū)動輪布置方式和驅(qū)動輪機構(gòu)。 如圖 2-8 所示，足球機器人的驅(qū)動輪機構(gòu)是圓形大輪的圓周上密布小滾動輪子構(gòu) 成，整個驅(qū)動輪可以沿同向與軸向兩個方向做滾動，其中周向受電機驅(qū)動， 軸向可自由運動。 四組驅(qū)動輪及電機成一定角度布置存一個圓周， 通過各驅(qū)動輪的速度矢量合成，機器人可以在平面上實現(xiàn)全自由度運動。 全向足球機器人可以很方便的實現(xiàn)任意方向運動。 特別是不需轉(zhuǎn)彎

50、可在運動過程中自由隨時姿態(tài) ( 機器人前方朝向 ) 。全向足球機器人在比賽過程中可以精確的實現(xiàn)各種復雜的路徑運動。 2、帶球機構(gòu) 比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機構(gòu)與球面的接觸面積不得超過球面面積的 1/3 。根據(jù)這一要求，選擇使用帶球棍旋轉(zhuǎn)摩擦球使球跟隨機器人運動， 從而來實現(xiàn)帶球功能。順時引高速旋轉(zhuǎn)的帶球棍依靠摩擦力帶動小球做逆時針旋轉(zhuǎn)， 小球受到的地面的摩擦力與帶球棍的摩擦力的合力指向機器人本體， 當足球機器人前進、后退、 轉(zhuǎn)彎時，小球始終在帶球棍的帶動下跟著足球機器人運動，圖 2-9 為帶球機構(gòu)簡圖。 1 2 1 2 2 1 3

51、 （ a） (b) 圖 2-9 帶球機構(gòu)簡圖 帶球一直是機械部分的一個問題．它涉及到力學、材料、機械等多個方面。因為 機器人的行走機構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強，但是也帶來了抖動， 給帶 球機構(gòu)的設計帶來了很大的麻煩。針對以上問題，帶球機構(gòu)主要設計方案： (1) 設計了懸掛式的帶球機構(gòu)； (2) 帶球桿的位置不是固定的，可以上下調(diào)整，在不 同的場地比賽時地面摩擦力不同， 調(diào)整帶球桿的位置相當于調(diào)整球和帶球桿的摩 擦力，以適應場地的摩擦力，就能獲得最佳的帶球效果。 3、擊球機構(gòu) 踢球在足

52、球機器人比賽中相當重要， 擊球機構(gòu)是完成射門和傳球的工具。 目前的擊球方式大致有以下幾種：彈簧儲能擊球、齒輪齒條擊球、氣動擊球、弓弩式擊球、電磁鐵擊球。 實踐證明彈簧儲能擊球效果不好， 在擊球之前通過電機將彈簧壓縮儲能， 擊球時彈簧瞬間釋放能量，先前彈簧儲存的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為施加給小球的沖 量。彈簧擊球瞬間的爆發(fā)力與彈簧的壓縮量和彈簧剛度成正比， 彈簧的壓縮量越大則擊球的爆發(fā)力越大，也會增加給小球沖量的持續(xù)時間 t ；但增加彈簧壓縮量使擊球機構(gòu)尺寸增大，可靠性降低。 彈簧的剛度越大則擊球的爆發(fā)力就越大， 而小球受到?jīng)_量的時間就會減小。 氣動和弓弩式擊球機構(gòu)設計制造復雜， 穩(wěn)定性不

53、好。 電磁鐵機構(gòu)是目前足球機器人擊球機構(gòu)中用的最為普遍的一種機構(gòu)， 它的優(yōu)點是力量大，動作頻率高，反應速度快，機械機構(gòu)相對簡單可靠?；谝陨系姆? 析，采用電磁鐵擊球機構(gòu)。 設計方案采用 200V左右的電壓驅(qū)動電磁鐵來擊球， 利用電磁鐵將存儲在電容中巨大的能量釋放出來轉(zhuǎn)遞給球， 可以使球的速度達到 5m ／ s左右，并且能通過控制放電時間來控制出球的速度。因此，可以使用擊球機構(gòu)來實現(xiàn)不同力度的“傳球”和“射門”。 2.7 本章小結(jié) 本章主要對足球機器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設計 , 主要包括以下內(nèi)容： （ 1）足球機器人的系統(tǒng)原理組成，通過機器人小車子系統(tǒng)

54、、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)、機器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。 （ 2）足球機器人的系統(tǒng)工作模式， 根據(jù)機器人的決策部分在整個系統(tǒng)作用位置來決定。 (3) 足球機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為兩個：決策控制和運動控制。 (4) 足球機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括無線通訊子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、機器人車體子系統(tǒng)等組成。 (5) 機器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設計包括：尺寸限制、功能要求運動功能等 (6) 機電機構(gòu)設計，驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊球機構(gòu)。 3 以雙 DSP為核心的控制系統(tǒng)電路設計 3.1 控制電路系統(tǒng)結(jié)

55、構(gòu) RoboCup小型組足球機器人在場上是實時、高速、高對抗的．為了滿足比賽 要求，足球機器人控制電路系統(tǒng)必須具備以下功能： (1)MCU運算速度高，能夠執(zhí)行運算量大的控制算法， 方便擴展各種接口電路； (2) 能配合無線通訊模塊實現(xiàn)波特率 115200bps的無線信號接收； (3) 能夠以脈寬調(diào)制的方式驅(qū)動四路驅(qū)動輪電機； (4) 可以處理四路以上的正交碼盤信號、檢測各驅(qū)動電機電樞電流信號盤來實時地對四組驅(qū)動輪進行精確的閉環(huán)速度控制； (5) 對機器人供電電池組進行 DC-DC升壓變換至 200v，用以驅(qū)動“踢球”電磁鐵高速擊出“球”；

56、 (6) 使用多路紅外傳感器和加速度計來感知機器人狀態(tài)。 通過對足球電路系統(tǒng)功能和性能特點的分析， 綜合足球機器人體積和電源等 方面的要求，我們將電路系統(tǒng)各種功能大膽融合、進行優(yōu)化， 提出本文所述的設計方案。 電路系統(tǒng)是作為整體進行設計和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個功能模塊： ①MCU模塊。該模塊的核心為采用主從工作模式的雙 DSP。 MCU模塊可配合無線通訊模塊接收上位機 (PC) 發(fā)送的無線通訊信號， 根據(jù)接收到的指令和自身傳感器信息完成對機器人的實時控制。 ②驅(qū)動電路模塊。該模塊在 MCU模塊的控制下，以脈寬調(diào)制的方式對機器人驅(qū)動電機進行實時調(diào)速控制。

57、 ③DC-DC升壓電路模塊。足球機器人使用可充電鎳氫電池組供電，電源變換模塊將電壓升高到 DC200v，儲存到大容量的電容中，作為擊球電磁鐵的電源。 ④傳感器電路模塊。 該模塊使用紅外發(fā)光管和紅外接收管來探測機器人是否帶到球以及周圍障礙物與機器人的距離。 足球機器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 3-l 所示： 無線通訊板 指令 主MCU 模塊（ 2407） 從 MCU 實現(xiàn) IO\CAN\SCI 12V 電源 程序下載 指令 碼盤信 低層控制程序 號 FLASH

58、 從MCU 模塊（ 2407） MEMORY DC DC i\o i\o 紅外傳感 12V 5V i\o 編碼器信 電機檢測 放大器信 器 光耦隔離 pwm 控制信號 號 電路 號 升壓電路 擊挑球 紅外傳感器 電機電樞 11VDC 帶球電機 運動電機驅(qū)動電路 電流檢測 螺線管 信號處理電路 220VDC 驅(qū)動電路 電路 驅(qū)動電路 帶 供電 球 擊挑球 電 螺線管

59、 機  電 電 電 電 機 機 機 機 編碼 編碼 編碼 編碼 器 器 器 器  紅 紅 紅 外 外 外 傳 傳 傳 感 感 感 器 器 器 圖 3-1 足球機器人電路系統(tǒng)框圖 3.2 MCU 模塊設計 機器人控制 MCU需要完成機器人速度軌跡跟隨控制算法，還需要接收指令、 處理多路傳感器信號等。 由于這些處理所需要的運算量相對比較龐大， 而且需要 使用大量的控制接口， 所以一些傳統(tǒng)的簡單運算芯片 ( 如8051等) 和單片機無法滿 足我們的需求

60、，我們采用運算能力相對強大的 DSP芯片。 系統(tǒng)采用 TI 的DSP芯片 TMS320LF2407A，它屬于 TI 工公司 DSP中專門用于電機控制的 TMS320LF240X系列中的一種。它是 TI 在以 TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運算核心的基礎上，整和了豐富的外圍控制電路和接口而形成的一類面向電機控制特殊片種。它具有以下一些優(yōu)點：運算速度快、運算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強大、高效；存儲空間大、擴展簡便；片內(nèi)“外設”豐富、接口簡單；帶有多個事件管理器方便對電機進行控制。 TMS320LF2407A的具體參數(shù)為：最高內(nèi)部頻率為 40MHz，時鐘周期為 25ns，具有 4

61、0MIPS的處理能力； 32K內(nèi)部 FLASH為，可加密；兩個事件管理器 (Event Managers)，每個 EM包括： 兩個 16位時鐘； 8個通道的脈寬調(diào)制 (PWM)單元；三個事件捕獲單元 (Cap) ； 10位A／D轉(zhuǎn)換器，16通道，375-500ns 的轉(zhuǎn)換時間；CAN2．0、異步串行口 (SCI) 、 同步串行口 (SPI) ；40個管腳可用作通用 10。 本文所述的設計中， 針對機器人控制算法和控制要求的特點， 針對前兩代足球機器人控制電路系統(tǒng)出現(xiàn)的做了體系結(jié)構(gòu)上的改變。 1、雙 MCU系統(tǒng)特點 足球機器人控制電

62、路系統(tǒng)的 MCU在實際工作中要承擔很大的運算量，它最大的兩項系統(tǒng)開銷是以 115200bps的波特率來接受 SCI通訊、以定時中斷的方式實時的對四路驅(qū)動電機進行速度閉環(huán)控制。此外， 還有驅(qū)動輪速度分配運算、 無線指令校驗解析、傳感器信號處理等工作。 由于驅(qū)動輪控制的定時中斷需要很高的系統(tǒng)開銷，用于機器人控制的 MCU無 法以中斷的方式配合無線通訊模塊來進行高波特率的無線指令接收和處理。 為了解決這一矛盾，在前兩代機器人控制電路系統(tǒng)中，我們另行設計了一塊電路版， 使用專門的 MCU來以中斷的方式配合無線通訊模塊來進行無線指令接收、校驗和轉(zhuǎn)發(fā)。而機器人控制用 MCU以查詢的方

63、式， 通過有線 SCI的形式接收無線通訊電路轉(zhuǎn)發(fā)的指令，這樣較好的解決了這一矛盾。 但是增加了一塊電路板， 大大的增加電路系統(tǒng)的體積、功耗、復雜性、可靠性。 另外，我們選用 TMS320LF2407來作為控制用 MCU有一個很大的因素是因為它的“事件管理器”具有正交碼盤信號處理的能力， 但是 2407只有兩個“事件管理器”。因此在以往的控制電路系統(tǒng)中， 采用的方法是外擴兩個正交碼盤計數(shù)芯片，2407以擴展 10空間的方式對碼盤計數(shù)芯片讀數(shù)。這樣的方案成本高、系統(tǒng)復雜。 此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時器不夠，導致 PWM波頻率無法優(yōu)化的 問題。 綜合上面的問題，在四輪

64、全向足球機器人的控制電路設計方案中，采用雙 DSP2407的來構(gòu)建控制系統(tǒng)。 2、主要工作原理和方法 一片 DSP2407為主 MCU： (1) 主DSP以I/O 口連接從 DSP的錯誤 ! 不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。錯誤 ! 不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。 等芯片控制端。 這樣主 DSP就可以配置從 DSP的工 作狀態(tài)，管理從 DSP重啟、從片內(nèi)或者片外執(zhí)行程序； (2) 主DSP配合無線通訊模塊接收無線通訊指令。 主DSP以 SCI接收端與無線模 塊連接接收數(shù)據(jù)；以 I/O 連接無線模塊的配置端，配置無線模塊的工作

65、狀態(tài)、波 特率、頻點；主 DSP以SCI接受中斷的方式逐個字節(jié)的接受無線指令， 并進行校驗， 將通過校驗的無線指令從 SCITX傳送給從 DSP。 (3) 主DSP根據(jù)從 DSP的請求，讀取 2路電機的碼盤信號，從 SCITX傳送給從 DSP。 (4) 主DSP擴展了 32K*16的SRAM作為片外程序 RAM，用于通過 JTAG進行仿真調(diào) 試。 另一片 DSP2407為從 MCU，其相應工作為： (1) 接收主 DSP處理完畢的無線指令， 解析并執(zhí)行指令，控制機器人運動、帶球、擊球。 (2) 根據(jù)指令分配各驅(qū)動輪速度，以定時中斷方式實現(xiàn)對四組驅(qū)

66、動輪的速度控制。該過程應用機器人的速度軌跡跟隨算法，控制機器人的運動。算法中的驅(qū)動電機速度控制需要應用驅(qū)動電機正交碼盤信號作為反饋。 其中兩組正交碼盤信號由從 DSP自身“事件管理器”讀出，另兩組正交碼盤信號向 DSP請求，主 DSP讀出后通過 SCI接口，發(fā)送給從 DSP。 (3) 使用 AD讀取多路電機電樞電流信號、傳感器信號、控制帶球電機和擊球電磁鐵。 (4) 從DSP擴展了 32K*16的SRAM作為片外程序 RAM，用于通過 JTAG進行仿真調(diào)試。另外還可通過 SPI接口擴展 EEPROM，可對控制程序進行外部存儲。必要的時候可支持控制程序的無線下載。 無線通訊模塊 碼盤讀數(shù) I/O SCIRX SCIRX 無限指令 SCIRX SPI SPI Serial DSP2407 I/O 控制從 DSP MP/MC- DSP2407 EEPROM (主) I/O 運行狀態(tài) RS- (從 ) (SST25VF010) A 程序 SRAM 程序 SRAM IS64M6416 IS64M6416 圖 3-2 主從式