【文章內(nèi)容簡介】 和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。2．6足球機(jī)器人的機(jī)電結(jié)構(gòu)設(shè)計四輪傘向足球機(jī)器人。它具自特殊的驅(qū)動輪設(shè)計及布置方式，因此它具備平面上的全自由度運(yùn)動能力。機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)從上往下分為三部分：最上部分足上色標(biāo)板，用于機(jī)器人視覺系統(tǒng)的識別機(jī)器人位置、方向及編號：中間安裝的是控制電路板；最下面是機(jī)器人的機(jī)構(gòu)部分．其主要由車體底盤、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊挑球機(jī)構(gòu)組成。 圖28足球機(jī)器人驅(qū)動輪設(shè)計及布置圖1．驅(qū)動機(jī)構(gòu)足球機(jī)器人之所以能全向運(yùn)動在于它特殊的驅(qū)動輪布置方式和驅(qū)動輪機(jī)構(gòu)。如圖28所示，足球機(jī)器人的驅(qū)動輪機(jī)構(gòu)是圓形大輪的圓周上密布小滾動輪子構(gòu)成，整個驅(qū)動輪可以沿同向與軸向兩個方向做滾動，其中周向受電機(jī)驅(qū)動，軸向可自由運(yùn)動。四組驅(qū)動輪及電機(jī)成一定角度布置存一個圓周，通過各驅(qū)動輪的速度矢量合成，機(jī)器人可以在平面上實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動。全向足球機(jī)器人可以很方便的實(shí)現(xiàn)任意方向運(yùn)動。特別是不需轉(zhuǎn)彎可在運(yùn)動過程中自由隨時姿態(tài)(機(jī)器人前方朝向)。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。帶球機(jī)構(gòu)比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機(jī)構(gòu)與球面的接觸面積不得超過球面面積的1/3。根據(jù)這一要求，選擇使用帶球棍旋轉(zhuǎn)摩擦球使球跟隨機(jī)器人運(yùn)動，從而來實(shí)現(xiàn)帶球功能。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(jī)器人本體，當(dāng)足球機(jī)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(jī)器人運(yùn)動，圖29為帶球機(jī)構(gòu)簡圖。 111 2 2 23（a） (b)圖29帶球機(jī)構(gòu)簡圖帶球一直是機(jī)械部分的一個問題．它涉及到力學(xué)、材料、機(jī)械等多個方面。因?yàn)闄C(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強(qiáng)，但是也帶來了抖動，給帶球機(jī)構(gòu)的設(shè)計帶來了很大的麻煩。針對以上問題，帶球機(jī)構(gòu)主要設(shè)計方案：(1)設(shè)計了懸掛式的帶球機(jī)構(gòu)；(2)帶球桿的位置不是固定的，可以上下調(diào)整，在不同的場地比賽時地面摩擦力不同，調(diào)整帶球桿的位置相當(dāng)于調(diào)整球和帶球桿的摩擦力，以適應(yīng)場地的摩擦力，就能獲得最佳的帶球效果。擊球機(jī)構(gòu)踢球在足球機(jī)器人比賽中相當(dāng)重要，擊球機(jī)構(gòu)是完成射門和傳球的工具。目前的擊球方式大致有以下幾種：彈簧儲能擊球、齒輪齒條擊球、氣動擊球、弓弩式擊球、電磁鐵擊球。實(shí)踐證明彈簧儲能擊球效果不好，在擊球之前通過電機(jī)將彈簧壓縮儲能，擊球時彈簧瞬間釋放能量，先前彈簧儲存的彈性勢能全部轉(zhuǎn)化為施加給小球的沖量。彈簧擊球瞬間的爆發(fā)力與彈簧的壓縮量和彈簧剛度成正比，彈簧的壓縮量越大則擊球的爆發(fā)力越大，也會增加給小球沖量的持續(xù)時間t；但增加彈簧壓縮量使擊球機(jī)構(gòu)尺寸增大，可靠性降低。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。氣動和弓弩式擊球機(jī)構(gòu)設(shè)計制造復(fù)雜，穩(wěn)定性不好。電磁鐵機(jī)構(gòu)是目前足球機(jī)器人擊球機(jī)構(gòu)中用的最為普遍的一種機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是力量大，動作頻率高，反應(yīng)速度快，機(jī)械機(jī)構(gòu)相對簡單可靠?；谝陨系姆治觯捎秒姶盆F擊球機(jī)構(gòu)。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。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”。本章主要對足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)計,主要包括以下內(nèi)容：（1）足球機(jī)器人的系統(tǒng)原理組成，通過機(jī)器人小車子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)、機(jī)器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。（2）足球機(jī)器人的系統(tǒng)工作模式，根據(jù)機(jī)器人的決策部分在整個系統(tǒng)作用位置來決定。 (3)足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為兩個：決策控制和運(yùn)動控制。 (4)足球機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成包括無線通訊子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、機(jī)器人車體子系統(tǒng)等組成。(5)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：尺寸限制、功能要求運(yùn)動功能等(6)機(jī)電機(jī)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)。3 以雙DSP為核心的控制系統(tǒng)電路設(shè)計 控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu) RoboCup小型組足球機(jī)器人在場上是實(shí)時、高速、高對抗的．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的無線信號接收；(3)能夠以脈寬調(diào)制的方式驅(qū)動四路驅(qū)動輪電機(jī)；(4)可以處理四路以上的正交碼盤信號、檢測各驅(qū)動電機(jī)電樞電流信號盤來實(shí)時地對四組驅(qū)動輪進(jìn)行精確的閉環(huán)速度控制；(5)對機(jī)器人供電電池組進(jìn)行DCDC升壓變換至200v，用以驅(qū)動“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來感知機(jī)器人狀態(tài)。通過對足球電路系統(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)計方案。電路系統(tǒng)是作為整體進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個功能模塊：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，根據(jù)接收到的指令和自身傳感器信息完成對機(jī)器人的實(shí)時控制。②驅(qū)動電路模塊。該模塊在MCU模塊的控制下，以脈寬調(diào)制的方式對機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行實(shí)時調(diào)速控制。③DCDC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3l所示： 圖31 足球機(jī)器人電路系統(tǒng)框圖 MCU模塊設(shè)計機(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等。由于這些處理所需要的運(yùn)算量相對比較龐大，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；存儲空間大、擴(kuò)展簡便；片內(nèi)“外設(shè)”豐富、接口簡單；帶有多個事件管理器方便對電機(jī)進(jìn)行控制。TMS320LF2407A的具體參數(shù)為：最高內(nèi)部頻率為40MHz，時鐘周期為25ns，具有40MIPS的處理能力；32K內(nèi)部FLASH為，可加密；兩個事件管理器(Event Managers)，每個EM包括：兩個16位時鐘；8個通道的脈寬調(diào)制(PWM)單元；三個事件捕獲單元(Cap)；10位A／D轉(zhuǎn)換器，16通道，375500ns的轉(zhuǎn)換時間；CAN2．0、異步串行口(SCI)、同步串行口(SPI)；40個管腳可用作通用10。本文所述的設(shè)計中，針對機(jī)器人控制算法和控制要求的特點(diǎn)，針對前兩代足球機(jī)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。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、以定時中斷的方式實(shí)時的對四路驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)控制。此外，還有驅(qū)動輪速度分配運(yùn)算、無線指令校驗(yàn)解析、傳感器信號處理等工作。由于驅(qū)動輪控制的定時中斷需要很高的系統(tǒng)開銷，用于機(jī)器人控制的MCU無法以中斷的方式配合無線通訊模塊來進(jìn)行高波特率的無線指令接收和處理。為了解決這一矛盾，在前兩代機(jī)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(yàn)和轉(zhuǎn)發(fā)。而機(jī)器人控制用MCU以查詢的方式，通過有線SCI的形式接收無線通訊電路轉(zhuǎn)發(fā)的指令，這樣較好的解決了這一矛盾。但是增加了一塊電路板，大大的增加電路系統(tǒng)的體積、功耗、復(fù)雜性、可靠性。另外，我們選用TMS320LF2407來作為控制用MCU有一個很大的因素是因?yàn)樗摹笆录芾砥鳌本哂姓淮a盤信號處理的能力，但是2407只有兩個“事件管理器”。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)。這樣的方案成本高、系統(tǒng)復(fù)雜。此外，原有的電路系統(tǒng)中存在內(nèi)部定時器不夠，導(dǎo)致PWM波頻率無法優(yōu)化的問題。綜合上面的問題，在四輪全向足球機(jī)器人的控制電路設(shè)計方案中，采用雙DSP2407的來構(gòu)建控制系統(tǒng)。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。錯誤!不能通過編輯域代碼創(chuàng)建對象。等芯片控制端。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。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(diǎn)；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(yàn)，將通過校驗(yàn)的無線指令從SCITX傳送給從DSP。(3)主DSP根據(jù)從DSP的請求，讀取2路電機(jī)的碼盤信號，從SCITX傳送給從DSP。(4)主DSP擴(kuò)展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過JTAG進(jìn)行仿真調(diào)試。另一片DSP2407為從MCU，其相應(yīng)工作為：(1)接收主DSP處理完畢的無線指令，解析并執(zhí)行指令，控制機(jī)器人運(yùn)動、帶球、擊球。(2)根據(jù)指令分配各驅(qū)動輪速度，以定時中斷方式實(shí)現(xiàn)對四組驅(qū)動輪的速度控制。該過程應(yīng)用機(jī)器人的速度軌跡跟隨算法，控制機(jī)器人的運(yùn)動。算法中的驅(qū)動電機(jī)速度控制需要應(yīng)用驅(qū)動電機(jī)正交碼盤信號作為反饋。其中兩組正交碼盤信號由從DSP自身“事件管理器”讀出，另兩組正交碼盤信號向DSP請求，主DSP讀出后通過SCI接口，發(fā)送給從DSP。(3)使用AD讀取多路電機(jī)電樞電流信號、傳感器信號、控制帶球電機(jī)和擊球電磁鐵。(4)從DSP擴(kuò)展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過JTAG進(jìn)行仿真調(diào)試。另外還可通過SPI接口擴(kuò)展EEPROM，可對控制程序進(jìn)行外部存儲。必要的時候可支持控制程序的無線下載。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(yùn)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(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。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，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。主DSP對從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的時候，主DSP也是通過SCI發(fā)送給從DSP的。也就是說經(jīng)過校驗(yàn)的指令和碼盤信號都是通過同一個通道傳送的。因而需要采用一定的機(jī)制來解決。實(shí)際設(shè)計中，使用了兩個I／O作為握手信號，主DSP根據(jù)握手信號發(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，從而將接受到的數(shù)據(jù)存儲到不同的寄存器中。兩個I／O可以表示四組狀態(tài)，握手信號狀態(tài)表如表31：表31 SCI傳輸握手信號狀態(tài)表I/0 1I/0 2狀態(tài) 11 無效 1 0 發(fā)送碼盤信號 0 1 發(fā)送指令信號 0 0 無效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)。發(fā)送給機(jī)器人的指令數(shù)據(jù)是通過封裝好的數(shù)據(jù)“幀”的形式傳送的，每幀7字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式如表32：表32指令數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6幀頭標(biāo)志號碼（高4位）命令類型（低4位）參數(shù)1參數(shù)2參數(shù)3參數(shù)30xFF0x010Xx00x0X0xXX0xXX 0xXX0xXX機(jī)器人碼盤數(shù)據(jù)也是通過封裝好的數(shù)據(jù)“幀”的形式傳送的，每幀7字節(jié)，數(shù)據(jù)幀格式如下：表33碼盤數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6幀頭標(biāo)志讀書1高八位讀書1低八位讀書2高八位讀書1低八位校驗(yàn)0xAA0x550xXX0xXX0xXX0xXX0xXX下圖為系統(tǒng)的主、從MCU的軟件流程圖 (a)主MCU軟件流程圖 (b)從MCU軟件流程圖圖33主、從MCU軟件流程圖 驅(qū)動電路模塊的設(shè)計(1)萬向輪驅(qū)動電路的設(shè)計