引言

機(jī)器人足球的最初想法由UniversityofBritishColumbia,Canada的AlanMackworth教授于1992年正式提出。他在OnSeeingRobots一文中以機(jī)器人足球?yàn)槔�，指出傳統(tǒng)的機(jī)器人研究中存在的不足：DefiniteKnowledge,CompleteKnowledge,StaticEnvironment,DeterministicWorld,DiscreteSequentialActions...。隨后，眾多學(xué)者和科技人員對(duì)機(jī)器人足球的可行性及技術(shù)問題進(jìn)行了研究。在一些實(shí)驗(yàn)室或研究所之間也相繼開展了小型的比賽。

機(jī)器人足球是一個(gè)綜合性的項(xiàng)目，它涉及眾多的傳統(tǒng)理論和前沿技術(shù)。機(jī)器人制造本身就集合了結(jié)構(gòu)工程、電子電路、精密機(jī)械、仿生材料等多種技術(shù)，而計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、傳感、無線通訊等技術(shù)則是機(jī)器人能夠運(yùn)動(dòng)和踢球所不可缺少的，多個(gè)機(jī)器人之間的配合更是涉及比較復(fù)雜的關(guān)于多主體的協(xié)調(diào)、合作與策略等問題。在第15屆國際人工智能聯(lián)合大會(huì)上，由Kitano,Veloso和Tambe等來自美、日、瑞典的9位國際著名或知名學(xué)者聯(lián)合發(fā)表重要論文"TheRoboCupsyntheticagentchallenge97"，系統(tǒng)闡述了機(jī)器人足球的研究意義、目標(biāo)、階段設(shè)想、近期主要內(nèi)容和評(píng)價(jià)原則。概括的說，過去50年中人工智能研究的主要問題是“單主體靜態(tài)可預(yù)測(cè)環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是國際象棋人－機(jī)對(duì)抗賽；未來50年中，人工智能的主要問題是“多主體動(dòng)態(tài)不可預(yù)測(cè)環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是足球的機(jī)－機(jī)對(duì)抗賽和人－機(jī)對(duì)抗賽。由此可見機(jī)器人足球具有重要的意義。

運(yùn)動(dòng)控制器是移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制特性，為后續(xù)的移動(dòng)機(jī)器人的功能擴(kuò)展搭建一個(gè)可行、穩(wěn)定的平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)則可以作為多種機(jī)器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，將為以后的移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1、足球機(jī)器人的系統(tǒng)原理組成

RoboCup中型組比賽是由兩支各有多個(gè)自主式足球機(jī)器人的球隊(duì)在標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地進(jìn)行的比賽，自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示，場(chǎng)上的每個(gè)機(jī)器人都具有完全的自主能力，自身具有獨(dú)立的傳感器系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人將各自搜集到的信息同本隊(duì)的其它自主機(jī)器人溝通，通過機(jī)器人本體或場(chǎng)外監(jiān)控站上數(shù)據(jù)融合得到所需的信息，然后根據(jù)這些信息進(jìn)行決策，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖1自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)

足球機(jī)器人系統(tǒng)分為下面幾個(gè)部分：

1）機(jī)器人小車子系統(tǒng)

2）視覺子系統(tǒng)

3）無線通訊子系統(tǒng)

4）機(jī)器人控制子系統(tǒng)

5）決策子系統(tǒng)

上述五個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。決策系統(tǒng)的指令通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給機(jī)器人小車系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機(jī)器人相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，再由視覺子系統(tǒng)采集場(chǎng)地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。

圖2足球機(jī)器人系統(tǒng)組成原理圖

機(jī)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(guān)系到比賽的結(jié)果。它設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)。

視覺子系統(tǒng)是整個(gè)比賽的最終檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，它扮演機(jī)器人的“眼睛”。它的主要任務(wù)是利用攝像頭實(shí)時(shí)采集比賽場(chǎng)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(chǎng)地上運(yùn)動(dòng)物體(包括雙方8個(gè)機(jī)器人和球)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是每個(gè)機(jī)器人的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y和其方向角度，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，以供主機(jī)上的決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策使用。

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(gè)機(jī)器人，使其執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)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(gè)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(chǎng)景信息與及各種傳感器信息，對(duì)本方機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)做出最佳的決策，同時(shí)將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令通過無線通訊系統(tǒng)傳給機(jī)器人。它的優(yōu)劣關(guān)系到機(jī)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(jī)器人本體之間的聯(lián)接部分，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(duì)員的本領(lǐng)，它的好壞關(guān)系到機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令，并且控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

2、足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RoboCup小型組足球機(jī)器人在場(chǎng)上是實(shí)時(shí)、高速、高對(duì)抗的．為了滿足比賽要求，足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)必須具備以下功能：

(1)MCU運(yùn)算速度高，能夠執(zhí)行運(yùn)算量大的控制算法，方便擴(kuò)展各種接口電路；

(2)能配合無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)波特率115200bps的無線信號(hào)接收；

(3)能夠以脈寬調(diào)制的方式驅(qū)動(dòng)四路驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)；

(4)可以處理四路以上的正交碼盤信號(hào)、檢測(cè)各驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞電流信號(hào)盤來實(shí)時(shí)地對(duì)四組驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行精確的閉環(huán)速度控制；

(5)對(duì)機(jī)器人供電電池組進(jìn)行DC-DC升壓變換至200v，用以驅(qū)動(dòng)“踢球”電磁鐵高速擊出“球”；

(6)使用多路紅外傳感器和加速度計(jì)來感知機(jī)器人狀態(tài)。

通過對(duì)足球電路系統(tǒng)功能和性能特點(diǎn)的分析，綜合足球機(jī)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(jìn)行優(yōu)化，提出本文所述的設(shè)計(jì)方案。

電路系統(tǒng)是作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個(gè)功能模塊：

①M(fèi)CU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(jī)(PC)發(fā)送的無線通訊信號(hào)，根據(jù)接收到的指令和自身傳感器信息完成對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制。

②驅(qū)動(dòng)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(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速控制。

③DC-DC升壓電路模塊。足球機(jī)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(chǔ)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(cè)機(jī)器人是否帶到球以及周圍障礙物與機(jī)器人的距離。

足球機(jī)器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3所示：

圖3足球機(jī)器人電路系統(tǒng)框圖

3、MCU模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制MCU需要完成機(jī)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(hào)等。由于這些處理所需要的運(yùn)算量相對(duì)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(yùn)算芯片(如8051等)和單片機(jī)無法滿足我們的需求，我們采用運(yùn)算能力相對(duì)強(qiáng)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(jī)控制的TMS320LF240X系列中的一種。它是TI在以TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運(yùn)算核心的基礎(chǔ)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(jī)控制特殊片種。它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大、高效；存儲(chǔ)空間大、擴(kuò)展簡便；片內(nèi)“外設(shè)”豐富、接口簡單；帶有多個(gè)事件管理器方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。TMS320LF2407A的具體參數(shù)為：最高內(nèi)部頻率為40MHz，時(shí)鐘周期為25ns，具有40MIPS的處理能力；

32K內(nèi)部FLASH為，可加密；兩個(gè)事件管理器(EventManagers)，每個(gè)EM包括：兩個(gè)16位時(shí)鐘；8個(gè)通道的脈寬調(diào)制(PWM)單元；三個(gè)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(shí)間；CAN2．0、異步串行口(SCI)、同步串行口(SPI)；40個(gè)管腳可用作通用10。

4、DC-DC升壓電路模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人在比賽中需要“踢球”，也就是將一個(gè)重量為46克的高爾夫球擊出，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)擊球系統(tǒng)，并要求將球擊出的初速度最高達(dá)到5m/s并能夠控制。經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)，使用200v以上的直流電壓來驅(qū)動(dòng)電磁鐵可以使得機(jī)器人“踢球”的最大速度達(dá)到5m/s。這就需要設(shè)計(jì)DC-DC升壓電路將10v的機(jī)器人電池電壓變換成200v以上。

利用開關(guān)電源的原理，設(shè)計(jì)升壓電路如圖4所示：

圖4DC-DC升壓電路模塊原理圖

大功率MOS管是一個(gè)電子開關(guān)，PWM發(fā)電器發(fā)出的PWM波控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)，電源與電感組成一個(gè)回路。此過程中，回路電流線性上升，電源將能量儲(chǔ)存到電感線圈中。當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，電源電感與儲(chǔ)能電容組成回路。此過程中，電感會(huì)因?yàn)殡娏飨陆刀a(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓與電源電壓疊加給儲(chǔ)能電容沖電。這樣儲(chǔ)能電容兩端就可以得到遠(yuǎn)高于電源電壓的電壓。

PWM發(fā)生器發(fā)出的PWM波控制MOS管以3.6KHz高速地導(dǎo)通和關(guān)斷，該升壓電路就能不斷的給儲(chǔ)能電容充電。當(dāng)儲(chǔ)能電容中的電壓達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的電壓時(shí)，PWM發(fā)生器停止工作，充電電路停止給儲(chǔ)能電容充電。如果儲(chǔ)能電容因?yàn)轵?qū)動(dòng)電磁鐵等原因造成電壓下降，就會(huì)觸發(fā)PWM發(fā)生器。PWM發(fā)生器將重新開始工作，給儲(chǔ)能電容充電。通過這樣的過程，就可以把儲(chǔ)能電容中的電壓維持在設(shè)定的電壓上。

5、軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用雙DSP的形式，降低了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度。但是，同時(shí)主、從DSP之間的耦合度較高，主、從DSP之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換、管理、及握手信號(hào)。這樣就給DSP內(nèi)的軟件提出了要求。下面來介紹在主、從DSP的軟件設(shè)計(jì)，說明是如何實(shí)現(xiàn)各種功能的。

足球機(jī)器人的速度軌跡控制是一個(gè)重要的研究對(duì)象，因此需要執(zhí)行速度軌跡控制算法的DSP中的程序能夠很方便的改變。主DSP對(duì)從DSP進(jìn)行管理，上位機(jī)可以通過發(fā)送控制指令給主DSP，由主DSP來管理從DSP的控制算法程序。這樣從DSP上的控制程序的執(zhí)行就有了更大的靈活性。

無線模塊接收的指令經(jīng)過主DSP的接收和校驗(yàn)后，通過SCI發(fā)送從DSP。從DSP需要主DSP讀取兩組正交碼盤信號(hào)的時(shí)候，主DSP也是通過SCI發(fā)送給從DSP的。也就是說經(jīng)過校驗(yàn)的指令和碼盤信號(hào)都是通過同一個(gè)通道傳送的。因而需要采用一定的機(jī)制來解決。實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用了兩個(gè)I／O作為握手信號(hào)，主DSP根據(jù)握手信號(hào)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)。兩組數(shù)據(jù)都是通過封裝好的“幀”的形式發(fā)送的，它們具有不同的數(shù)據(jù)頭，從DSP通過數(shù)據(jù)頭來判斷接收的是指令還是碼盤信號(hào)，從而將接受到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到不同的寄存器中。兩個(gè)I／O可以表示四組狀態(tài)，握手信號(hào)狀態(tài)表如表1所示：

表1SCI傳輸握手信號(hào)狀態(tài)表

SCI接口波特率為115200bps；數(shù)據(jù)格式為：1bit起始位，8bit數(shù)據(jù)位，1bit停止位，無奇偶校驗(yàn)。

下圖為系統(tǒng)的主、從MCU的軟件流程圖。

圖5主、從MCU軟件流程圖

6、結(jié)論

本文將研究工作集中在了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法和控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。在運(yùn)動(dòng)控制研究方面。針對(duì)四輪全向足球機(jī)器人組成的球隊(duì)，本文提出了適用的運(yùn)動(dòng)控制模式和運(yùn)動(dòng)控制算法。該模式將運(yùn)動(dòng)控制分為兩個(gè)主要環(huán)節(jié)：速度軌跡生成和速度軌跡跟隨。針對(duì)機(jī)器人控制算法要求，作者設(shè)計(jì)了以主一從式雙DSP為核心的控制電路設(shè)計(jì)方案。改方案能有效的簡化電路設(shè)計(jì)，增加可靠性，降低成本。

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