【正文】 ...................... 27 ........................................................................ 30 . 驅(qū)動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì) .................................................................................. 33 .................................................................................... 36 . DCDC 升壓電路模塊設(shè)計(jì) ......................................................................... 37 . 本章小結(jié) ...................................................................................................... 37 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 4 四輪全向足球機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法研究 ............................................................ 39 ................................................................................................ 39 ............................................................................................. 40 ............................................................................................. 42 ..................................................................................................... 43 ................................................................. 45 .速度軌跡跟隨 (Velocity Trajectory Tracking)控制 ...................................... 46 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析 ......................................................... 46 ............................................................. 52 ................................................................................. 53 ................................................................................. 54 4.. ....................................................................................................... 54 5 研究工作總結(jié)及展望 ............................................................................................ 57 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................... 59 致 謝 .......................................................................................................................... 61 附錄一 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 .......................................................................................... 78 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 1 緒論 足球機(jī)器人的 簡(jiǎn)介 RoboCup是 The Robot world cup Soccer Games的簡(jiǎn)稱， 1997年正式成立總部設(shè)立在瑞士，現(xiàn)有成員國(guó) 40多個(gè)。機(jī)器人速度軌跡生成算法基于 開 關(guān) 控制 (又稱 bang—bang控制 )原理，它根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前位 置、 當(dāng)前速度 、 目標(biāo) 點(diǎn)位置和 目標(biāo)點(diǎn) 速度， 生成 一條 從 ―當(dāng) 前 點(diǎn) ‖到 ―目 標(biāo)點(diǎn) ‖的時(shí)間 最 優(yōu)的速度軌跡。通過對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的分析，對(duì)其控制方程進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，提出了四輪 全 向足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法。控制系統(tǒng)采用 主 一從式雙 DSP為核心的設(shè)計(jì)方案。 目前， RoboCup競(jìng)賽現(xiàn)分有仿真組比賽、小型機(jī)器人組比賽 (Smallsize League(F180))、中型機(jī)器人組比賽 (Middle—Size League(F2021))、 Sony四腿機(jī)器人比賽 (S0NY Legged Robot League)、類人機(jī)器人組、家庭組等比賽：迄今中型組代表該領(lǐng)域的最高水平。選擇足球作為這個(gè)研究的平臺(tái)可以使眾多最新的科技能夠在這個(gè)富有挑戰(zhàn)性和吸引力的平臺(tái)上得到最快的檢驗(yàn)，也可以吸引更多的人和組織參與到這個(gè)項(xiàng)目中，促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。比賽用球是橙色的 FIFA標(biāo)準(zhǔn) 5號(hào)球。如果用硬件實(shí)現(xiàn)則價(jià)格過于昂貴，我們認(rèn)為只要用軟件實(shí)現(xiàn)的速度達(dá)到要求就是可 行的，因?yàn)榧词褂糜布m然速度很快，但是我們的機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)速度最快為 2m／ s，用軟件實(shí)現(xiàn)也比這個(gè)速度快得多。 先后獲得了國(guó)家 863智能機(jī)器人主題辦和國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助。目 前也有一些院校在進(jìn)行其它比賽項(xiàng)目的研究，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。在足球機(jī)器人的開發(fā)過程中，不僅要遇到機(jī)器人學(xué) (Robotics)，安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 機(jī)電一體化，通訊與計(jì)算機(jī)技 術(shù)等，而且還要面對(duì)圖像處 (ImageProcessing)，傳感器數(shù)據(jù)融合 (Sensor Data Fusion)，決策與對(duì)策，模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，智能控制等學(xué)科內(nèi)容。研究足球機(jī)器人對(duì)我們國(guó)家的科技發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步有著促進(jìn)和 推動(dòng)作用。所以中型組足球機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)對(duì)比賽起了至關(guān)重要的作用 。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。 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。 第三種基于機(jī)器人的足 球機(jī)器人系統(tǒng)，這時(shí)足球機(jī)器人具有很多自主性，所有的計(jì)算包括決策、控制都在機(jī)器人上面完成，而主機(jī)只處理視覺數(shù)據(jù)，然后將有關(guān)信息傳給機(jī)器人。 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(shù)層、任務(wù)層和動(dòng)作層組成，如圖 23所示。 足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 足球機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人、系如圖 24所示。 集中控制器 基本動(dòng)作 動(dòng)作行為 障礙回避行為 速度控制器 左輪 右輪 編碼器 傳感器 RF 通訊模塊 硬件 特殊智能 人的干預(yù) 軟件 基于機(jī)器人的系統(tǒng) 基于視覺的系統(tǒng) 遙控?zé)o智能系統(tǒng) 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 機(jī)器人基本行為有運(yùn)動(dòng)和障碼回避，基本動(dòng)作有射門、定點(diǎn)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(dòng)作。所以對(duì)無線通信的可靠性有很高的要求。 目前廣泛采用的是固態(tài)攝像頭，因?yàn)樗哂蟹€(wěn)定性、可攜性和精確性等特點(diǎn)。 采用硬件法時(shí)，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(jī)傳送圖像處理的結(jié)果。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 26足球機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成 可以說，機(jī)器人足球賽實(shí)際上是目前國(guó)際機(jī)器人界關(guān)注的多機(jī)器人智能系統(tǒng)的演練，它涉及到機(jī)器人的相互 作用，協(xié)調(diào)交換知識(shí)，通過相互動(dòng)作配合以期望在整體上完成一些非常復(fù)雜的動(dòng)作，多機(jī)器人的動(dòng)作協(xié)調(diào)配合以及系統(tǒng)控制是當(dāng)前機(jī)器人及人工智能研究中非常前沿的課題。 決策子系統(tǒng) 無線通信子系統(tǒng) 機(jī)器人車體 子系統(tǒng) 比賽現(xiàn)場(chǎng) 視覺子系統(tǒng) 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 4．可靠性： 參賽機(jī)器人的工作環(huán)境比較惡劣。 7．經(jīng)濟(jì)性： 較高的性能價(jià)格比一直是開發(fā)設(shè)計(jì)中追求的目標(biāo)。除主動(dòng)輪外，還應(yīng)安排兩個(gè)支撐輪，采用萬(wàn)向輪為好。 2． 6 足球機(jī)器人的機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 四輪傘向足球機(jī)器人。全向足球機(jī)器人在比賽過程中可以精確的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的路徑運(yùn)動(dòng)。目前的擊球方式大致有以下幾種：彈簧儲(chǔ)能擊球、齒輪齒條擊球、氣動(dòng)擊球、弓弩式擊球、電磁鐵擊球。因此，可以使用擊球機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)不同力度的 ―傳球 ‖和 ―射門 ‖。 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： ① MCU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。 雙 MCU系統(tǒng)特點(diǎn) 足球機(jī)器人控制電路系統(tǒng)的 MCU在實(shí)際工作中要承擔(dān)很大的運(yùn)算量，它最大的兩項(xiàng)系統(tǒng)開銷是以 115200bps的波特率來接受 SCI通訊、以定時(shí)中斷的方式實(shí)時(shí)的對(duì)四路驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制。這樣的方案成本高、系統(tǒng)復(fù)雜。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。 另外，我們選用 TMS320LF2407來作為控制用 MCU有一個(gè)很大的因素是因?yàn)樗?―事件管理器 ‖具有正交碼盤信號(hào)處理的能力，但是 2407只有兩個(gè) ―事件管理器 ‖。 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 (Event Managers)，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， 375500ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間； CAN2． 0、異步串行口安徽建筑工業(yè)學(xué)院 本科 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）