【正文】 能夠加速機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)機(jī)器人技術(shù)本身是對(duì)電子技術(shù)的一個(gè)集合運(yùn)用，從學(xué)生時(shí)代從事機(jī)器人技術(shù)的學(xué)習(xí)研究的過程，不但對(duì)機(jī)器人技術(shù)加速發(fā)展，還帶動(dòng)中國其它電子技術(shù)的發(fā)展 ，帶動(dòng)科技強(qiáng)國，科技富國。 全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人中的一部分，其高靈活性和準(zhǔn)確性越來越突出其優(yōu)越性?，F(xiàn)在在全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人方面 使用較多的是 RoboCup 中型組足球機(jī)器人 （如圖 2） 。1997 年成立于日本 ，足球機(jī)器人作為人工智能的一個(gè)重要組成部分，已是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域最為活躍的領(lǐng)域之一 [1]。 RoboCup 以機(jī)器人足球作為中心研究課題，通過舉辦機(jī)器人足球比賽，旨在促進(jìn)人工智能、機(jī)器人技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。 RoboCup 的最終目標(biāo)是在 2050 年成立一支完全自主的擬人機(jī)器人足球隊(duì)，能夠與人類進(jìn)行一場(chǎng)真正意義上的足球賽。 RoboCup 的最終目標(biāo)是：到 21 世紀(jì)中葉，一支完全自治的人形機(jī)器人基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 2 足球隊(duì)?wèi)?yīng)該能在遵循國際足聯(lián)正式規(guī)則的比賽中，戰(zhàn)勝最 近的人類世界杯冠軍隊(duì)。要想實(shí)現(xiàn)足球機(jī)器人靈活自如的“踢足球”，傳統(tǒng)的三輪和四輪結(jié)構(gòu)移動(dòng)不夠靈活已經(jīng)被淘汰，現(xiàn)在使用的是三輪和四輪結(jié)構(gòu)配備全向輪的全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人?？梢圆蛔鋈魏螠?zhǔn)備的情況下朝球移動(dòng)，并且可以邊移動(dòng)邊調(diào)整踢球姿態(tài)已達(dá)到最近效果。 對(duì)然全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人有了很多，但是很多都在實(shí)驗(yàn)室，還不能在實(shí)際的環(huán)境使用，全向運(yùn)動(dòng) 機(jī)器人還需要很長的時(shí)間發(fā)展。 圖 2 RoboCup 中型組機(jī)器人 本課題的 研究 意義及前景 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人從工業(yè)走進(jìn)生活中。國外很多國家已經(jīng)研制出很多全方位機(jī)器人，應(yīng)用領(lǐng)域 不斷擴(kuò)大，如導(dǎo)游機(jī)器人、導(dǎo)購機(jī)器人、電動(dòng)輪椅、平穩(wěn)的測(cè)量裝置、醫(yī)院巡視病房機(jī)器人和倉庫作業(yè)機(jī)器人等。這些機(jī)器人 很大程度上代替了人大勞動(dòng)，提高了人的生活質(zhì)量。 如圖 3 是 三種 全向機(jī)器人。 全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人在社會(huì)服務(wù)、教育、娛樂、軍事和環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域都將發(fā)揮著不可代替的作用。其未來的應(yīng)用前景將十分廣闊 [2]。 圖 3 三種 全向機(jī)器人 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 3 論文組織結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)內(nèi)容安排分為 6 章，其各章節(jié)的內(nèi)如安排如下： 第 1 章 ：引言。 介紹此課題的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景。 第 2 章 ：全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析。建立全向運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型進(jìn)行力的分解合成，計(jì)算各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各電機(jī)運(yùn)動(dòng)公式。分別分析了全向運(yùn)動(dòng)三種基本運(yùn)動(dòng)形式：平移運(yùn)動(dòng)、原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 、平移 +旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 第 3 章 ： DSP 及相關(guān)控制系統(tǒng)。選擇 TMS320LF2407A 為核心控制芯片，選擇電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、無線通訊模塊、電源模塊等等，組建硬件系統(tǒng) 第 4 章 ： 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制部分的設(shè)計(jì)和 MATLAB 仿真 。 根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式計(jì)算好各個(gè)電機(jī)矢量速度， 如何能讓電機(jī)穩(wěn)準(zhǔn)快的執(zhí)行設(shè)定的矢量速度是運(yùn)送形式是否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的 PID 增量式控制方式及 MALTAB 仿真來實(shí)現(xiàn)。 第 5 章：系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)建立數(shù)學(xué)模型及外設(shè)資源設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)流程圖，通過 編寫系統(tǒng)程序，利用上位機(jī)和無線傳輸模 塊對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行控制，其中也包括建立簡單的無線通訊協(xié)議。 第 6 章 ： 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析。通過前幾章設(shè)計(jì)出了全向機(jī)器人，本章主要是通過試驗(yàn)驗(yàn)證各種運(yùn)動(dòng)形式是否達(dá)到要求，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。 2 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 分析 全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型建立 在 引言 中介紹了全向 運(yùn)動(dòng) 控制的 幾種 結(jié)構(gòu)， 本設(shè)計(jì) 選用三輪結(jié)構(gòu)構(gòu)建 全向 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)[3][4]。 其結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物付如圖 4 所示 。 (a) 結(jié)構(gòu)圖 (b) 實(shí)物圖 圖 4 全向結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 4 其中三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸互相成 120 176。 夾角，且驅(qū)動(dòng)輪中心到整體系統(tǒng)中心的距離L1=L2=L3。 為實(shí)現(xiàn) 全向運(yùn)動(dòng)控制，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式建模 [5]， ， 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。對(duì)全向機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 （圖 5所示） 進(jìn)行分析 并對(duì)控制算法進(jìn)行研究 。 要 由圖 5 中(a)圖所示， 小車運(yùn)行在二維平面內(nèi)， 世界 坐標(biāo)系 XY 和機(jī)器人坐標(biāo)系 aa yx? 。 ? 為 X與 ax 的夾角， ? 為 驅(qū)動(dòng)輪 與 ay 的 夾角， 驅(qū)動(dòng)輪之間的夾角 為 120o 角。 iL (i=1,2,3)為機(jī)器人中心到 驅(qū)動(dòng)輪 中心的距離 ,由于 本設(shè)計(jì) 使用的 瑞典 輪在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候?qū)Φ孛娴慕佑|位置 一直在 變化， 會(huì)造成驅(qū)動(dòng)輪與機(jī)器人中心的距離也一直在變化， 但變化值比較小 。 為方便 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及 計(jì)算取 L=L1=L2=L3。 iV (i=1,2,3)為 驅(qū)動(dòng)輪 i 提供沿驅(qū)動(dòng)方向的速度 ， 規(guī)定 方向 逆時(shí)針為正 。 由圖 5中 (b)所示， V為機(jī)器人系統(tǒng)整體速度，世界坐標(biāo) XY 坐標(biāo)系中 X軸與整體速度 V的逆時(shí)針夾角為β，在世界坐標(biāo)系中將整體速度 V 分解成沿 X軸和 Y 軸的速度分別為 XV 和 yV 。 (a) 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 (b) 系統(tǒng)整體速度矢量分解 圖 5 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 根據(jù) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型 分析出 各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度 為下式 (1)： 1 si n( ) c os( )2 c os si n3 si n( ) c os( )XyXyXyV V V LV V V LV V V L? ? ?? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ????? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? ??? (1) 式 (1)中：由機(jī)械結(jié)構(gòu)可知 ? =30 o， ? 取 逆時(shí)針為正， ?? 為角速度且逆時(shí)針為正。 將這些已知的值代入式 (1)中得到式 (2)。 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 5 1 s i n ( ) c o s ( )662 c o s s i n3 s i n ( ) c o s ( )66XyXyXyV V V LV V V LV V V L??? ? ?? ? ???? ? ????? ? ? ? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ? ? ??? (2) 由式 (2)寫出矩陣形式 ，即式 (3)。 si n( ) c os( )1 662 c os si n3 si n( ) c os( )66xyL VVV L VV L?????????? ???? ??? ? ? ????? ???? ????? ???????? ? ? ? ???? (3) 所以在任意時(shí)刻，小車的運(yùn)動(dòng)形態(tài)就是 TxyV V V ????? ????。 在實(shí)際中，路 徑規(guī)劃、位姿控制，通過矢量分解、坐標(biāo)變化，即可轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。 為使模型成立， 機(jī)器人應(yīng) 該符合以下幾點(diǎn) 要求 ： (1) 驅(qū)動(dòng)輪與地面有足夠的摩擦力，不存在打滑現(xiàn)象。 (2) 小車的構(gòu)造及安裝位置應(yīng)盡量精確。 (3) 各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度應(yīng)在電機(jī)提供的最高速之內(nèi) [Vmax Vmax]。 (4) 忽略驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中 L 的變化，取 L=L1=L2=L3。 (5) 車的重量均勻分布三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪 上。 不同運(yùn)動(dòng)方式 的運(yùn)動(dòng)特性 全向運(yùn)動(dòng) 的運(yùn)動(dòng) 形式大體 可分為 平移 運(yùn)動(dòng) 、原地旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 、 邊平移邊旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 三種運(yùn)動(dòng)形式 。 三種運(yùn)動(dòng)形式有著不同的運(yùn)動(dòng)特性，以下將分三小節(jié)對(duì)三種運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行單獨(dú)分析。 平 移 運(yùn)動(dòng) 平移 是基本的也是比較常用的運(yùn)動(dòng)形式。 由于是 平移 不考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們將模型進(jìn)行簡化 ，其簡化后運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖如圖 6 所示 。 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 6 (a) 平移模型 (b) 系統(tǒng)整體平移模型 圖 6 簡化后 運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 模型 單獨(dú)考慮平移運(yùn)動(dòng)故將 式 (3)進(jìn)行簡化 為式 (4)： 131 222 1 03 01322xyL VVV L VVL?????? ???????? ? ???????? ???? ??????? (4) 假設(shè)小車整體平移矢量速度為 V，與 X 軸成 γ 角。所以我們可以分解為 xV 和 yV ，其分解公式為式 (5)。 cos( )sin( )xyVVVV ?????? ??? (5) 由式 (4)和式 (5)我們可以得到三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度 ，見式 (6)。 11223313 sin( )c os( ) sin( )622c os( ) c os( )13 sin( )c os( ) sin( )622VVV V VV V V VVVV V V? ???? ???? ?? ? ?? ? ?? ?? ??? ? ?????? ? ?? ? ???? (6) 驅(qū)動(dòng)輪速度 1V 、 2V 、 3V 的速度范圍都是 ? ?max maxVV? 。 maxV 的值則由電機(jī)性能決定。通過式 (6)我們可以反向推導(dǎo)出平移速度 V的速度范圍。 如圖 7， 其中圓是以驅(qū)動(dòng)輪最大速度 maxV 大小為半徑的圓，紅色速度 V與 X 軸的角度為 γ ，隨著 γ 由 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 7 0176。 ~360176。 變化 V的軌跡為紅色 正 六邊形。其中最大速度為max233 V。 圖 7 平移最大速度 模型 原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 全向 機(jī)器人不但要平移，而且很多時(shí)候都需要轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向 運(yùn)動(dòng) 分為原地旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 和邊平移邊旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng) 。原地旋轉(zhuǎn)是旋轉(zhuǎn)的最基本運(yùn)動(dòng) 形式 ，邊 平移 邊 旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)將在下節(jié) 中闡述 ，本節(jié)主要分析原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式。 原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí) V=0，即 xV 和 yV 都為 0，所以由式 (2)可 的下式 (7)。 123VLVLVL??????? ??? ???? ?? (7) 其中 ?? 為角速度，逆時(shí)針為正。 所以可以得知三個(gè)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的矢量速度是相同的。為了表述直觀，建立原地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模型，其模型圖如圖 8 所示。 圖 8 原地 旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)模型 基于 DSP 的全向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 8 邊平移邊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 邊 平移 邊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式是全向運(yùn)動(dòng)中較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，即不做任何準(zhǔn)備動(dòng)作的前提下往任何方向運(yùn)動(dòng) 并且可以 邊運(yùn)動(dòng)邊調(diào)整自身姿態(tài)。 這種運(yùn)動(dòng)形式是 平移 與旋轉(zhuǎn)的合成。在前文 中已經(jīng)推導(dǎo)出公式 (1)。此處不再過多敘述。 3 基于 DSP 的硬件 系統(tǒng) 簡介 控制芯片選擇 作為 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 的核心控制芯片，根據(jù)以往在實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn) ，其核心控制芯片當(dāng)屬DSP C2020 系 類。 C2020 系類對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用 C2020 系類TMS320LF2407A 的控制板。 TMS320LF2407A 主要 特點(diǎn) 如下 ： ? 高性能、高速度：集成了高性能的 DSP 內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外設(shè)；每秒 4000萬條指令 (40MIPS)的處理速度 。 ? 高可靠性、可編程性： TMS320LF2407A 的 16 位定點(diǎn) DSP 內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案。 ? 兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB， 可以 提供完整的、高效的電機(jī)控制方案，提供所有的 PWM(8 個(gè) 16 位脈沖調(diào)制通道 )和 IO，可以控制所有類型的電機(jī)。 ? 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減少了控制器的損耗。 ? 片內(nèi)有高達(dá) 32K16位的 Flash程序存儲(chǔ)器 ： 高達(dá) 16位的數(shù)據(jù) /程序 RAM；544 字節(jié) 的 雙端口 RAM(DARAM)； 2K 字的單口 RAM(SARAM)。 ? 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共具有 192K16 位的空間，分別為 64K 字 的 程序存儲(chǔ)器空間、 64K 字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和 64K 字的 I/O 空間。 ? 10 位 ADC 轉(zhuǎn)換器，其特性為 ： 最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500ns、 8 個(gè)或 16 個(gè)多路復(fù)用的輸入通道，采集時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間分開 ，提高了采樣率和輸入阻抗，并且支持自動(dòng)順序采樣，不需 CPU干預(yù)。 ? CAN 總線控制器，可以為控制器、傳感器、激勵(lì)源以及其它節(jié)點(diǎn)提供良好的通訊，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和汽車等強(qiáng)噪聲和惡劣的環(huán)境中。 ? 5 個(gè)外