【文章內(nèi)容簡介】 和解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。2．6足球機器人的機電結(jié)構(gòu)設(shè)計四輪傘向足球機器人。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動能力。機器人總體結(jié)構(gòu)從上往下分為三部分：最上部分足上色標(biāo)板，用于機器人視覺系統(tǒng)的識別機器人位置、方向及編號：中間安裝的是控制電路板；最下面是機器人的機構(gòu)部分．其主要由車體底盤、驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊挑球機構(gòu)組成。 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)。如圖28所示，足球機器人的驅(qū)動輪機構(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，其中周向受電機驅(qū)動，軸向可自由運動。四組驅(qū)動輪及電機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，機器人可以在平面上實現(xiàn)全自由度運動。全向足球機器人可以很方便的實現(xiàn)任意方向運動。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)。全向足球機器人在比賽過程中可以精確的實現(xiàn)各種復(fù)雜的路徑運動。帶球機構(gòu)比賽規(guī)則規(guī)定，帶球機構(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)摩擦球使球跟隨機器人運動，從而來實現(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器人本體，當(dāng)足球機器人前進、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。 111 2 2 23（a） (b)圖29帶球機構(gòu)簡圖帶球一直是機械部分的一個問題．它涉及到力學(xué)、材料、機械等多個方面。因為機器人的行走機構(gòu)換了一種全向輪，雖然抓地力更強，但是也帶來了抖動，給帶球機構(gòu)的設(shè)計帶來了很大的麻煩。針對以上問題，帶球機構(gòu)主要設(shè)計方案：(1)設(shè)計了懸掛式的帶球機構(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。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。實踐證明彈簧儲能擊球效果不好，在擊球之前通過電機將彈簧壓縮儲能，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構(gòu)設(shè)計制造復(fù)雜，穩(wěn)定性不好。電磁鐵機構(gòu)是目前足球機器人擊球機構(gòu)中用的最為普遍的一種機構(gòu)，它的優(yōu)點是力量大，動作頻率高，反應(yīng)速度快，機械機構(gòu)相對簡單可靠?；谝陨系姆治觯捎秒姶盆F擊球機構(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，可以使用擊球機構(gòu)來實現(xiàn)不同力度的“傳球”和“射門”。本章主要對足球機器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)計,主要包括以下內(nèi)容：（1）足球機器人的系統(tǒng)原理組成，通過機器人小車子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)、機器人的控制子系統(tǒng)及決策子系統(tǒng)組成構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)。（2）足球機器人的系統(tǒng)工作模式，根據(jù)機器人的決策部分在整個系統(tǒng)作用位置來決定。 (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。 (4)足球機器人的系統(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)、機器人車體子系統(tǒng)等組成。(5)機器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括：尺寸限制、功能要求運動功能等(6)機電機構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動機構(gòu)、帶球機構(gòu)、擊球機構(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小型組足球機器人在場上是實時、高速、高對抗的．為了滿足比賽要求，足球機器人控制電路系統(tǒng)必須具備以下功能：(1)MCU運算速度高，能夠執(zhí)行運算量大的控制算法，方便擴展各種接口電路；(2)能配合無線通訊模塊實現(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；(4)可以處理四路以上的正交碼盤信號、檢測各驅(qū)動電機電樞電流信號盤來實時地對四組驅(qū)動輪進行精確的閉環(huán)速度控制；(5)對機器人供電電池組進行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器人狀態(tài)。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)是作為整體進行設(shè)計和優(yōu)化的，可劃分為以下幾個功能模塊：①MCU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(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器人的實時控制。②驅(qū)動電路模塊。該模塊在MCU模塊的控制下，以脈寬調(diào)制的方式對機器人驅(qū)動電機進行實時調(diào)速控制。③DCDC升壓電路模塊。足球機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器人是否帶到球以及周圍障礙物與機器人的距離。足球機器人電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖3l所示： 圖31 足球機器人電路系統(tǒng)框圖 MCU模塊設(shè)計機器人控制MCU需要完成機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)的簡單運算芯片(如8051等)和單片機無法滿足我們的需求，我們采用運算能力相對強大的DSP芯片。系統(tǒng)采用TI的DSP芯片TMS320LF2407A，它屬于TI工公司DSP中專門用于電機控制的TMS320LF240X系列中的一種。它是TI在以TMS320C2xLP系列為內(nèi)部運算核心的基礎(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控制特殊片種。它具有以下一些優(yōu)點：運算速度快、運算精度高；體積小、功耗低；指令系統(tǒng)功能強大、高效；存儲空間大、擴展簡便；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進行控制。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。雙MCU系統(tǒng)特點足球機器人控制電路系統(tǒng)的MCU在實際工作中要承擔(dān)很大的運算量，它最大的兩項系統(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時的對四路驅(qū)動電機進行速度閉環(huán)控制。此外，還有驅(qū)動輪速度分配運算、無線指令校驗解析、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，用于機器人控制的MCU無法以中斷的方式配合無線通訊模塊來進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行無線指令接收、校驗和轉(zhuǎn)發(fā)。而機器人控制用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為它的“事件管理器”具有正交碼盤信號處理的能力，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，采用的方法是外擴兩個正交碼盤計數(shù)芯片，2407以擴展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；主DSP以SCI接受中斷的方式逐個字節(jié)的接受無線指令，并進行校驗，將通過校驗的無線指令從SCITX傳送給從DSP。(3)主DSP根據(jù)從DSP的請求，讀取2路電機的碼盤信號，從SCITX傳送給從DSP。(4)主DSP擴展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過JTAG進行仿真調(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，控制機器人運動、帶球、擊球。(2)根據(jù)指令分配各驅(qū)動輪速度，以定時中斷方式實現(xiàn)對四組驅(qū)動輪的速度控制。該過程應(yīng)用機器人的速度軌跡跟隨算法，控制機器人的運動。算法中的驅(qū)動電機速度控制需要應(yīng)用驅(qū)動電機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讀取多路電機電樞電流信號、傳感器信號、控制帶球電機和擊球電磁鐵。(4)從DSP擴展了32K*16的SRAM作為片外程序RAM，用于通過JTAG進行仿真調(diào)試。另外還可通過SPI接口擴展EEPROM，可對控制程序進行外部存儲。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。但是，同時主、從DSP之間的耦合度較高，主、從DSP之間需要進行大量的數(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，說明是如何實現(xiàn)各種功能的。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。主DSP對從DSP進行管理，上位機可以通過發(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制來解決。實際設(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。發(fā)送給機器人的指令數(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