RoboCup中型組足球機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉銀萍，蔡樂泉，楊宜民

(1.廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部，廣東廣州510006;2.廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州510006)

機器人足球比賽是近年來出現(xiàn)的一項集娛樂、體育和科研于一體的比賽活動。目前國際上主要有兩項規(guī)模較大的機器人足球比賽:機器人足球世界杯(RoboCup)和國際機器人足球聯(lián)合會(FIRA)。中型組機器人足球賽是RoboCup 機器人足球世界杯的主要項目之一，自1997年第一屆比賽開始即是正式比賽項目［1］。由于中型組機器人足球比賽中要求機器人完全自主，所以最具挑戰(zhàn)性，也最能代表參賽隊伍的機器人研究水平。從功能上看，每個RoboCup 中型組足球機器人可以分為視覺、通訊、決策和運動控制4 個子系統(tǒng)。運動控制系統(tǒng)是整個全自主足球機器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其主要涉及有電動機控制、通信、踢球機構(gòu)、電源轉(zhuǎn)換及匹配等功能。根據(jù)全自主足球機器人運動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計要求，采用數(shù)字信號處理器(DSP)構(gòu)成足球機器人控制單元，并運用Fuzzy-PID 控制算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一PID 控制，使控制效果更為理想。

1 運動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 運動控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的足球機器運動控制系統(tǒng)是由4 只全向輪組成的4 輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)。采用單片機對實現(xiàn)多電機控制來說，其硬件設(shè)計存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、算法控制實時性差等缺點，因此采用美國TI(德州儀器)公司的TMS320F2812 微控制器。DSP2812 控制器具有豐富的外圍接口，它將DSP 的高速控制能力和面向電機的高效控制能力集于一體，使機器人控制系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計大大簡化，而且算法控制的實時性提高，使系統(tǒng)更為簡單，穩(wěn)定可靠［2］。但單個DSP2812 芯片具有雙事件管理器EVA 和EVB，每個事件管理器只有1 個電機碼盤接口(QEP)單位，因此，單個DSP 只能接兩路的電機碼盤信號，而4 個全向輪的中型組機器人有4 臺電機。因此，采用雙DSP 架構(gòu)，其中一個DSP 芯片為主處理器控制1、2 號電機，另外一個DSP 芯片為從處理器控制3、4 號電機，主從DSP 共同處理底層硬件信息和控制執(zhí)行機構(gòu)。

足球機器人運動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個電路可以分為以兩片DSP 為核心的硬件電路、電機驅(qū)動電路、電機編碼盤接口電路、串口通信電路、射門機構(gòu)控制電路、電子羅盤等外設(shè)模塊、電源模塊等幾大塊。它完成的主要工作包括:接收上位機發(fā)送的控制命令并解析;控制4 個運動電機;控制帶球電機;將充電、射門等命令發(fā)送給射門控制電路;監(jiān)測電源電壓等。

圖1 運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 電動機驅(qū)動單元

該設(shè)計要求被控電機不僅能夠調(diào)速而且還要正反轉(zhuǎn)，而PWM 控制波形可由DSP 按需要編程直接產(chǎn)生，因此采用H 橋式PWM 電動機控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它由4 個開關(guān)管和4 個續(xù)流二極管組成，單電源供電。在橋中4 只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q2 為一組，Q3、Q4 為一組，這兩組狀態(tài)互補，當(dāng)一組導(dǎo)通時，另一組必須關(guān)斷。其H 橋上橋臂驅(qū)動電路圖如圖3所示，其下橋臂的驅(qū)動電路圖類同。圖中，IR2101 是專為驅(qū)動半橋逆變器中同橋臂的兩個MOSFET 或IGBT 而設(shè)計的高壓、高速驅(qū)動器［3］，它將隔離后的PWM 信號放大，然后驅(qū)動H 橋功率驅(qū)動電路對電動機調(diào)速。IRF650 為N 溝道增強型功率管，組成H 橋電路驅(qū)動電動機。DSP 給出的PWM1 信號通過IR2101 放大后輸出接近于電源電壓的高電平，加到Q1 的柵極驅(qū)動它導(dǎo)通。同理，若PWM4 也為低電平，則Q4 也導(dǎo)通。此時，電動機兩端加正向電壓，實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動。同理，若PWM2、PWM3 均為高電平，驅(qū)動Q2、Q3 導(dǎo)通，電動機兩端為反向電壓，電動機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動［4］。

圖2 H 橋式PWM 電機控制結(jié)構(gòu)

圖3 H 橋上橋臂電機驅(qū)動電路

1.3 通信單元

在該運動控制系統(tǒng)中，各控制器之間采用DSP的SCI 和SPI 模塊串口方式通信。DSP2812 的串行通信接口SCI 模塊支持CPU 與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信。而串行同步通信SPI DSP2812 硬件資源中，帶有一個4 引腳的串行外設(shè)接口(SPI)模塊，SPI 是一個高速、同步串行I/O 口，能夠?qū)崿F(xiàn)DSP 與外部設(shè)備或另一個DSP 之間的高速通信。該設(shè)計采用雙DSP2812，其與上位計算機、數(shù)字指南針等外圍設(shè)備的通信模塊連接電路如圖4所示。主DSP 通過SCI 模塊與上層計算機通信，主DSP和從DSP 采用SPI 通信，從DSP 通過SCI 模塊與數(shù)字指南針通信等外圍設(shè)備通信，各控制器之間通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 連接。

圖4 控制系統(tǒng)通信電路

主DSP 負(fù)責(zé)與上層計算機通信，接收PC 機決策庫輸出的4 個電機速度值和執(zhí)行機構(gòu)(射門機構(gòu)等)一些控制命令，返回底層的信息(電機碼盤信號，指南針，電池電壓)給PC 機。主DSP 將從上層計算機接收到3 號電機和4 號電機的速度值發(fā)送給從DSP，從DSP 將3、4 號電機的編碼盤，電池電壓，指南針等信息通過SPI 通信傳送給主DSP。從DSP 和主DSP 通信完后，將串口切換到與外設(shè)連接的備用引腳，改變波特率，然后采用一問一答的通信方式，即先向外設(shè)發(fā)送特殊命令字，再等待外設(shè)返回數(shù)據(jù)。正確接收到外設(shè)返回的數(shù)據(jù)后，將串口重新切換到正常引腳，與DSP 連接。

2 運動控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

整個運動控制系統(tǒng)軟件編程采用C 語言，程序采用模塊化的方式進行編寫。其實質(zhì)是在CCS 開發(fā)環(huán)境中對DSP 的編程，控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個模塊:各模塊的初始化、主程序、串口通信中斷服務(wù)子程序、定時器中斷服務(wù)子程序、電動機控制算法調(diào)速模塊、射門控制模塊、電源電壓檢測模塊等。其工作流程為:進行系統(tǒng)初始化之后，主程序進入等待中斷信號的循環(huán)。當(dāng)上位機發(fā)送信息后，將觸發(fā)串口通信中斷，串口通訊模塊開始接收上位機發(fā)送的信息，在對上位機發(fā)送的信息進行分析和解包后，判斷是否執(zhí)行電動機調(diào)速、射門機構(gòu)挑球和SPI 通信等子程序。與此同時，若定時時間到，將觸發(fā)定時器中斷，在定時器中斷子程序中，將讀取電動機碼盤信息，并用于電動機調(diào)速算法，實現(xiàn)電動機的閉環(huán)調(diào)速。

2.2 電機控制算法

(1)直流電動機的特性［5］

對足球機器人來說，關(guān)鍵問題是如何控制左、右輪的轉(zhuǎn)速。直流電動機的轉(zhuǎn)速方程為

式中:N 為轉(zhuǎn)速，U 為電源電壓，R 為電樞電阻，i為電樞電流，Ke為反電動勢常量。

(2)算法的實現(xiàn)

從式(1)可以看出，在足球機器人的電動機伺服系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實現(xiàn)。它采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)，通過PWM 控制電源電壓的開斷來控制電動機的轉(zhuǎn)速，其系統(tǒng)接近于一個轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過對控制電路特性的研究可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中存在著非線性環(huán)節(jié)。其中，PWM 輸出放大環(huán)節(jié)是非線性的，電機環(huán)節(jié)可以認(rèn)為是線性環(huán)節(jié)。為使控制更加平滑，該設(shè)計采用了Fuzzy-PID 構(gòu)成的復(fù)合控制器算法，使兩種控制器在不同范圍內(nèi)發(fā)揮其優(yōu)勢，在誤差較大的情況下發(fā)揮模糊控制器的快速性和抗干擾能力強的優(yōu)勢，在誤差和誤差變化率都較小的情況下，發(fā)揮PID 穩(wěn)態(tài)特性好、控制精度高的優(yōu)勢。即系統(tǒng)根據(jù)電動機實時轉(zhuǎn)速誤差值來判斷何時進行Fuzzy 控制向PID 控制方式的轉(zhuǎn)換，從而調(diào)用相應(yīng)的控制算法來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。Fuzzy-PID 控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。具體做法如下:首先根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定左車輪的PWM 信號占空比。然后計算左車輪轉(zhuǎn)速與目標(biāo)誤差，若偏差超過某個特定值，則將轉(zhuǎn)速的偏差及偏差的變化率，作為模糊控制器的輸入，通過模糊控制器內(nèi)部推理，得出左車輪的實時PWM 控制信號為輸出;相反，若轉(zhuǎn)速偏差未超過特定值，則通過經(jīng)典PID 控制理論，計算左車輪的實時PWM 控制信號為輸出。按相同的方法，可求得右車輪的實時轉(zhuǎn)速［6－7］。

圖5 Fuzzy-PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果

將該運動控制系統(tǒng)應(yīng)用到中型組足球機器人上，并對機器人的轉(zhuǎn)動性能和直線運動性能進行測試。

(1)轉(zhuǎn)動性能測試:足球機器人以相同的線速度(0 m/s)，不同的角速度自轉(zhuǎn)，測得機器人自轉(zhuǎn)中心的軌跡偏差如表1所示。從表中可以看出，實測轉(zhuǎn)動中心的軌跡偏差都小于3 cm，這表明機器人的轉(zhuǎn)動性能較好。

表1 機器人自轉(zhuǎn)中心的軌跡偏差

(2)直線運動性能測試:足球機器人以相同的角速度(0 rad/s)，不同的線速度作直線運動，測得機器人實際運動軌跡與期望軌跡角度偏差如表2所示。從表中可以看出，機器人基本能按預(yù)定軌跡運動，但存在一定的偏差。由于機器人在場上運動時4 個輪子之間存在耦合關(guān)系，機械特性等不同導(dǎo)致電機響應(yīng)不能夠同步，并且場地材料不同使機器人各個輪子與場地之間的摩擦力不一致，使機器人在加速的過程中，由于4 個輪子的加速度不一樣導(dǎo)致機器人的姿態(tài)發(fā)生改變，而且機器人運動速度越大，姿態(tài)變化越大。因此，即使單個電機的控制器參數(shù)達到最優(yōu)，對機器人而言也不一定達到好的效果。為此，可適當(dāng)修正各個電機的控制器參數(shù)，并應(yīng)用到機器人上進行實驗測試，記錄分析機器人的姿態(tài)變化，如此循環(huán)，使機器人的4 個電機能夠更好地同步動作，直至機器人的運動性能符合要求。

表2 機器人實際運動軌跡與期望軌跡角度偏差

4 結(jié)束語

研究了一種采用雙DSP 的方式共同處理機器人底層硬件信息的運動控制系統(tǒng)，有效地解決了單個DSP 或者單個控制芯片導(dǎo)致電路復(fù)雜、電路可靠性降低、系統(tǒng)處理速度不高、實時性不強等問題。同時采用了Fuzzy-PID 控制算法，此算法既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PID 控制精度高的特點，可以取得比單一的PID 控制或模糊控制更好的控制效果，為機器人足球系統(tǒng)建立了一個更為良好的硬件平臺。

【1】袁于程.RoboCup 中型組足球機器人全景視覺系統(tǒng)的研究［D］.蘇州:蘇州大學(xué)，2009.

【2】浮紅霞，陳西平，杜習(xí)波，等.自主式足球機器人控制系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.機械工程與自動化，2010(8):133－135.

【3】張奇志.IR2101 帶有欠壓封鎖的半橋MOSFET 驅(qū)動器［J］.集成電路應(yīng)用，2002(8):64－65，68.

【4】付根平，楊宜民.基于dsPIC 的全向足球機器人運動控制系統(tǒng)［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，26(2):56－60.

【5】張學(xué)習(xí)，楊宜民，李懷俊，等.基于DSPs 的足球機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29(23):6009－6011.

【6】劉滔.基于模糊邏輯的輪式移動機器人運動控制研究與實現(xiàn)［D］.廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2010.

【7】張小川，魏建新，郭魯，等.基于遺傳算法的足球機器人模糊PID 優(yōu)化控制策略［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，26(4):91－95，103.