【正文】 度。為增大主動論與場地的摩擦力，可加I膠圈作為輪胎。在WMR(輪式移動機器人)設(shè)計有三種類型輪：傳統(tǒng)型輪、全方位型輪和球型輪?？梢钥闯?，在 ，設(shè)計具有上述功能及特性的機器人小車．其關(guān)鍵在于采用高集成度、微型化技術(shù)和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。 圖28足球機器人驅(qū)動輪設(shè)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)。特別是不需轉(zhuǎn)彎可在運動過程中自由隨時姿態(tài)(機器人前方朝向)。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(dāng)足球機器人前進(jìn)、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29為帶球機構(gòu)簡圖。擊球機構(gòu)踢球在足球機器人比賽中相當(dāng)重要，擊球機構(gòu)是完成射門和傳球的工具。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。設(shè)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(dá)到5m／s左右，并且能通過控制放電時間來控制出球的速度。 (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。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(jìn)行優(yōu)化，提出本文所述的設(shè)計方案。②驅(qū)動電路模塊。④傳感器電路模塊。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。本文所述的設(shè)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。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(shè)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(jìn)行無線指令接收、校驗和轉(zhuǎn)發(fā)。因此在以往的控制電路系統(tǒng)中，采用的方法是外擴(kuò)兩個正交碼盤計數(shù)芯片，2407以擴(kuò)展10空間的方式對碼盤計數(shù)芯片讀數(shù)。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。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(jìn)行校驗，將通過校驗的無線指令從SCITX傳送給從DSP。(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)動輪的速度控制。(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。無線通訊模塊I/O SCIRX SCIRXDSP2407 I/O (主) I/OSCIRX SPIMP/MC DSP2407RS (從)程序SRAMIS64M6416程序SRAMIS64M6416SPI SerialEEPROM(SST25VF010)A)碼盤讀數(shù)無限指令控制從DSP運行狀態(tài) 圖32主從式DSP硬件結(jié)構(gòu)圖．主從工作模式下的軟件設(shè)計機器人的控制系統(tǒng)采用雙DSP的形式，降低了硬件系統(tǒng)的復(fù)雜度。足球機器人的速度軌跡控制是一個重要的研究對象，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。從DSP需要主DSP讀取兩組正交碼盤信號的時候，主DSP也是通過SCI發(fā)送給從DSP的。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，從而將接受到的數(shù)據(jù)存儲到不同的寄存器中。兩次計數(shù)值之差除以兩次計數(shù)間隔的時間就可以得到電機的這段時間的平均轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路模塊使用四象限雙極性的H橋方式來驅(qū)動四路電機，以兩路I/O信號控制電機的停止、啟動和正反轉(zhuǎn)。這樣會長時間產(chǎn)生較大電流，所以需要選用過電流高的功率MOSFET構(gòu)建H橋電路。將這個電壓信號放大，使用DSP內(nèi)部外設(shè)的AD讀取這個電壓信號，經(jīng)過換算，即可得到電樞電流的大小。球被擊出時的速度與控制擊球的MOSFET開關(guān)開啟實驗數(shù)據(jù)如所示：表35擊球速度與開關(guān)時間實驗數(shù)據(jù)表時間（ms）303336404456637588100150200300速度（cm/s） 5380106132159252291318344371440506505 圖36擊球速度與開關(guān)時間曲線 ／s，而且曲線基本上可以分為兩個線性區(qū)域，它們的方程分別是：v= (30≤t≤63) ()v=+(63≤t≤200)t為通電時間(ms)v為球的速度(cm/s)由于射門和傳球?qū)η蛩僖蟮木炔皇翘貏e高，所以由以上兩個線性方程就能在控制程序中通過控制電磁鐵打開時間來控制球的速度，能滿足機器人傳球和射門的要求。機器人上在近距離需要對前方障礙物和球進(jìn)行近距離的進(jìn)行識別。如球被控制住的時候，球會擋住紅外光，這樣接收管就收不到紅外光，電壓發(fā)生變化。電路如圖38所示：圖38紅外傳感器電路圖 DCDC升壓電路模塊設(shè)計機器人在比賽中需要“踢球”，也就是將一個重量為46克的高爾夫球擊出，所以需要設(shè)計一個擊球系統(tǒng)，并要求將球擊出的初速度最高達(dá)到5m/s并能夠控制。當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電源與電感組成一個回路。這樣儲能電容兩端就可以得到遠(yuǎn)高于電源電壓的電壓。PWM發(fā)生器將重新開始工作，給儲能電容充電。因為我們的足球機器人是四輪全向足球機器人，它具有新的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，控制難度較高，所以也需要選擇合適的運動控制模式和運動控制算法。機器人速度跟隨算法。也就是說，機器人“任務(wù)”信息也是以每秒25次(40毫秒)的速度來更新的。40毫秒后，收到下一條指令后，機器人的速度控制量隨新的指令而變化。機器人的速度和角速度通過四組驅(qū)動輪速度的矢量合成得到。機器人四組驅(qū)動輪對稱分布，使用相同的驅(qū)動電機。． 控制方程解析，利用簡化模型得到司以解析的控制方程如下： （） （） （）(t)、(t) 、(t) 分別為x方向、y方向和角方向上的控制作用(加速度)。﹑﹑﹑分別為三個方向上的末位置。由此得到的、和經(jīng)過積分就是生成的時間最優(yōu)的速度軌跡﹑﹑。因為這三組控制量的控制方程和約束條件類似，故使用變量z代替x進(jìn)行演算。k為粘滯阻尼系數(shù)。即利用上面推導(dǎo)的公式，計算出從當(dāng)前點到目標(biāo)點的最小時間和臨界點，判斷每個離散點處于系統(tǒng)正最大控制作用時刻還是負(fù)最大控制時刻。．各方向上速度軌跡的時間同步在上節(jié)的算法原理中，機器人在x方向、y方向以及轉(zhuǎn)動角方向的速度矢量的獨立規(guī)劃生成速度軌跡的。這樣機器人的運動從總體上就不是一條平滑的曲線，極大的影響機了器人的尋軌性。所以必須通過設(shè)定各方向的控制量(各方向的加速度值)來調(diào)節(jié)生成的速度軌跡中運動到目標(biāo)點的最小時間(速度軌跡設(shè)定時間)，使得各方向上的速度軌跡同步。由公式()和()，我們可知，如果將控制作用減小，生成的速度軌跡的設(shè)定時間就會增大；如果將控制作用增大，生成的速度軌跡設(shè)定時間就會減小。因此，只存在唯一的滿足()。正式由于全向機器人有如此多的優(yōu)點，它逐漸在輪式機器人的設(shè)計中占據(jù)越來越大的比例。它們遵從于相同的基本原則：當(dāng)輪在輪軸法向產(chǎn)生正常的牽引時，它能在輪軸方向被動地自由滾動。 (a)雙排全向 (b)單排全向輪 圖45全向驅(qū)動輪機構(gòu)比較全向輪的選擇對機器人的動力學(xué)性能的影響至關(guān)重要。車輪不打滑的情況下，F(xiàn)=Fmax。但這種結(jié)構(gòu)存在占用空間大，著地點變化等缺點。根據(jù)對四輪全向機器人運動學(xué)方程()，我們知道四組驅(qū)動輪的在機器人自身各方向上的速度和加速度是不同的。對于任何介于中心和邊緣的質(zhì)量分布轉(zhuǎn)動慣量可表示為I=Amr2，0α1。在這個部分中，我們還對四組驅(qū)動輪進(jìn)行了簡單的驅(qū)動力控制。四輪全向機器人四組驅(qū)動輪按照理想應(yīng)該在統(tǒng)一平面上，四組驅(qū)動輪同時與地面接觸，機器人自身載荷平均分配到各驅(qū)動輪上。也就是說，在實際的控制中，各組驅(qū)動輪由于載荷不等與地面的摩擦力是不同的。因此在機器人在低速啟動、加速時，驅(qū)動電機扭矩大于最大靜摩擦力矩，機器人會發(fā)生打滑。在需要精確控制軌跡的時候，如果檢測到驅(qū)動輪打滑現(xiàn)象發(fā)生，則降低機器人的整體速度來保證軌跡的精確性。則公式()可簡寫為： ()將P的偽逆矩陣表示為，則公式()變?yōu)椋? ()則驅(qū)動輪的線速度向量莎，可由其自身計算出： () () 根據(jù)公式()()，將通過檢測各驅(qū)動輪碼盤信號得到的機器人實際的速度矢量礦代入式()，計算此等式是否成立，如果成立則說明機器人在動中不存在失去驅(qū)動力的現(xiàn)象。．驅(qū)動輪控制算法原理機器人整體速度經(jīng)過速度矢量分解環(huán)節(jié)分解到各組驅(qū)動輪上，作為各驅(qū)動輪的速度控制量。在實際的使用中，由于存在驅(qū)動輪速度檢測誤差的，該等式必然出現(xiàn)偏差。下面我們討論如何使用機器人動力學(xué)方程的冗余度來檢測打滑的驅(qū)動輪。由于四組驅(qū)動輪有一定的冗余，三組驅(qū)動輪即可合成機器人要達(dá)到的速度矢量，所以一組驅(qū)動輪打滑對機器人的軌跡影響不大，機器人有自動恢復(fù)到不打滑狀態(tài)的能力。極限情況，一組驅(qū)動輪與地面不接觸，則該驅(qū)動輪完全失去了驅(qū)動力。所以在實際的控制中，由于場地平整度、加工、安裝誤差等因素，機器人四組驅(qū)動輪所承受的載荷是不相等的。根據(jù)各驅(qū)動輪的碼盤反饋信號，控制各驅(qū)動輪達(dá)到的速度矢量分解環(huán)節(jié)設(shè)定的速度值。該算法分為兩部分：速度矢量分解（驅(qū)動力控制）控制輪速度控制（模糊PID控制）motor+——++機器人整體速度（由速度軌跡設(shè)定）電機轉(zhuǎn)速信息機器人位置信息 圖49速度軌跡跟隨算法總體控制框圖第一個環(huán)節(jié)為機器人速度矢量分解部分。下面我們來對四輪足球機器人進(jìn)行動力學(xué)分析。為了消除上述缺陷，采用新單排全向輪，它的優(yōu)點是：摩擦系數(shù)有大幅度的提高；節(jié)省空間，為電機、減速機構(gòu)布置提供了方便；單排輪不存在著地點不斷變化的問題。所以如果要使機器人有大的加速度，必須加大驅(qū)動輪與地面之間的最大摩擦力。輪式足球機器人直線加速時的受力分析圖(忽略，持球阻力和空氣阻力)。這些轉(zhuǎn)矩疊加起來使機器人剛體產(chǎn)生一定地平移和旋轉(zhuǎn)速度。從驅(qū)動輪機構(gòu)上來講，一般有雙排全向輪和單排全向輪之分。 速度軌跡跟隨(Velocity Trajectory Tracking)控制 機器人驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析1﹑全向輪分析全向足球機器人可以在平面上全自由度的運動。勢必會采用使得一個方向使用最大控制作用，即使用足球機器人此方向上的最大加速度值最為此方向上的控制作用；而另一個方向上的控制作用減小到合適的值，使得x方向和y方向上的速度軌跡設(shè)定時間上相等。因此，我們在實際算法上使的x方向、y方向嚴(yán)格統(tǒng)一，角方向上的速度軌跡以方向、y方向上同步的結(jié)果來求解。這個最小時間tfmin也就是我們在這個方向上生成的速度軌跡的設(shè)定時間。在實際的足球機器人控制中，為了使機器人在運動平穩(wěn)、靈活，我們必須使這三個方向上的速度軌跡在時間上同步。根據(jù)機器人當(dāng)前時刻的速度、位置信息和多智能體協(xié)調(diào)子系統(tǒng)實時生成的目標(biāo)點位置、到達(dá)目標(biāo)點的末速度等信息，應(yīng)用上面所述的速度軌跡生成方程計算出每一個時刻的﹑﹑，這樣就是一條可以用來控制足球機器人的離散的速度軌跡。﹣ ()當(dāng)t1t≤t1+t2=tf，為負(fù)最強控制作用段。 根據(jù)bang—bang控制原理，即總是采用最強的控制作用(最大加速度)。在實際工程上應(yīng)用一種特殊情況：即各個控制量都取控制域的邊界值，而且不斷的從一個邊界切換到另一個邊界從而構(gòu)成最強的控制作用，即bangbang控制。﹑、分別為三個方向上的末速度。X方向、y方向和角方向θ上的控制作用的約束為：Ax≤qx(t)(≤Ax ( )Ay≤ qy(t)≤Ay ( )AΘ≤qθ(t)≤Aθ ()Ax、Ay、Aθ口為x、y、θ方向上的最大控制作用(最大加速度)。因此可以在實際工程中加以簡化的認(rèn)為：在X方向、方向以及轉(zhuǎn)動角方向三個方向上的控制量是獨立的。足球機器人每組驅(qū)動輪使用一個直流電機驅(qū)動，又因為機器人速度由驅(qū)動輪速度合成得到，因此機器人x方向速度、加速度，y方向速度、加速度，角速度、角加速度會受到驅(qū)動輪電機動力學(xué)參數(shù)約束。 X圖41足球機器人運動學(xué)示意圖如圖41所示，足球機器人運動控制系統(tǒng)需要控制的偏差為機器人位