【正文】 輸出至無線發(fā)射器，經(jīng)調(diào)制后發(fā)射出去。機(jī)器人子系統(tǒng)通過無線接收器接收主機(jī)的命令字，然后根據(jù)預(yù)先確定的通訊協(xié)議譯碼得出左右輪的速度給定值。足球機(jī)器人無線通訊子系統(tǒng)常常使用數(shù)字信號單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線A訊模塊，通常射頻芯片采用 FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通訊模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，不要求用戶對無線通訊原理和工作機(jī)制有更深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。決策系統(tǒng)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)將傳給通訊子程序，通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)送至發(fā)射器，由發(fā)射器中的通訊模塊自動對數(shù)據(jù)按無線數(shù)據(jù)協(xié)議打包發(fā)送等操作。使用無線模塊就像使用其他RS232串行通訊設(shè)備一樣，只要按預(yù)先約定的協(xié)議格式進(jìn)行控制即可，對發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義、解析，使其代表不同的意義，就可達(dá)到控制目的。決策子系統(tǒng)對車型機(jī)器人的通訊是單向的，采用廣播式無線通訊方式:每個控制周期無線發(fā)射器發(fā)射一幀數(shù)據(jù)給本方所有機(jī)器人，各機(jī)器人根據(jù)自身編號讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得自己的運(yùn)動控制指令。在本設(shè)計(jì)中使用的是nRF2401發(fā)射模塊。下面對它進(jìn)行介紹。圖 413 nRF2401 內(nèi)部結(jié)構(gòu) nRF2401模塊特性nRF2401無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S,而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。它采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，其內(nèi)部結(jié)果如圖 47 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。與藍(lán)牙不同的是，nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。圖 414 nRF2401引腳圖它的特點(diǎn)如下：● 頻段，有125個頻道 ,可滿足多頻及跳頻需要；● 速率（1Mbps）高于藍(lán)牙,且具有高數(shù)據(jù)吞吐量；外圍元件極少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計(jì)射頻電路；發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置；● 電源電壓范圍為 ～,功耗很低；● 電流消耗很小，5dBm輸出功率時(shí)的典型峰值電流為 ；● 芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括 DC/DC開關(guān)電源）均有很好的通信效果；● 每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最多40bit 地址 , 而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示 ）, 同時(shí)編程也很方便；● 內(nèi)置 CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議；● 采用 DuoCeiver 技術(shù)可同時(shí)接收兩個nRF2401的數(shù)據(jù)；● 采用 ShockBurst TM 模式時(shí) , 能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的 MCU執(zhí)行；● 帶有集成增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核、9 路10bitADC、UART異步串口、SPI串口和 PWM輸出；內(nèi)置看門狗；● 無需外部 SAW濾波器；● 可 100%RF檢驗(yàn)；帶有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能。nRF2401使用時(shí)，首先要對其初始化，通過基帶微控制器對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定工作頻率、發(fā)射功率等參數(shù)；當(dāng)nRF2401進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過數(shù)據(jù)傳輸方式，微控制器進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。nRF2401的配置字如表 44 nRF2401配置字描述。nRF2401各管腳可直接與單片機(jī)或DSP的I/O口相連，其主要功能管腳接口如圖 414 nRF2401引腳圖所示。該接口由9個數(shù)字輸入輸出I/O組成，按照工作分為三組。表 44 nRF2401配置字描述1. 編程配置接口。該接口由CE，CS，PWR組成，控制nRF2401的四種工作模式：配置模式，發(fā)射/接收模式，待機(jī)模式和掉電模式。配置數(shù)據(jù)由DATA，CLK1輸入，各種控制模式如表 45 nRF2401主要工作模式所示。待機(jī)模式下功耗為12A，此時(shí)發(fā)射/接收電路均關(guān)閉，只有時(shí)鐘電路工作，掉電模式功耗約為1A，此時(shí)所有電路關(guān)閉，進(jìn)入最省電狀態(tài)。2. 通道1接口。它是指CLK1，DATA，DR1三線多功能接口，在配置下，單片機(jī)通過通道1的CLK1，DATA配置nRF2401的工作參數(shù)；在發(fā)射模式下，單片機(jī)通過通道1的CLK1，DATA線發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收模式下，當(dāng)接收到與本機(jī)地址一致時(shí)，通過DR1輸出中斷指示（高電平有效），單片機(jī)通過CLK1，DATA線接收數(shù)據(jù)。3. 通道2接口。該接口包括CLK2，DOUT2，DR2三線數(shù)據(jù)接口，與通道1類似，只是DOUT2只能是輸出，即通道2只能接收數(shù)據(jù)而不能發(fā)射數(shù)據(jù)。此通道在設(shè)計(jì)中未使用。表 45 nRF2401主要工作模式第5章 足球機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn)及基本動作 引言本章主要介紹機(jī)器人的運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的基本動作；在分析運(yùn)動控制時(shí)建立了決定坐標(biāo)系和相對坐標(biāo)系，并在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)器人的運(yùn)動方程。 足球機(jī)器人的控制實(shí)現(xiàn) 坐標(biāo)系的確定機(jī)器人工作空間為一平面，建立如圖 51機(jī)器人坐標(biāo)建立 所示的絕對坐標(biāo)系 與相對坐標(biāo)系 。其中，機(jī)器人坐標(biāo)系原點(diǎn)與機(jī)器人中心重合， 為與的夾角，為輪子與的夾角，L為機(jī)器人中心到輪子中心的距離，為輪子i提供沿驅(qū)動方向的速度。圖 51機(jī)器人坐標(biāo)建立對于三輪全向輪機(jī)器人，在其運(yùn)動過程中，也可以建立以機(jī)器人中心為參考點(diǎn)的極坐標(biāo)系如圖 52三輪全向機(jī)器人的姿態(tài)在極坐標(biāo)下的表示 ，在此不再詳述。圖 52三輪全向機(jī)器人的姿態(tài)在極坐標(biāo)下的表示 車型機(jī)器人的數(shù)學(xué)描述從宏觀上看，機(jī)器人運(yùn)動軌跡是曲線，從微觀上可以看成是很多直線與圓弧、不同方向的直線、不同方向圓弧之間的擬合。因此，軌跡控制的關(guān)鍵在于任意方向直線以及任意方向圓的運(yùn)動控制。為便于分析，提出下列假設(shè)：小車、驅(qū)動輪與地面均為剛體；車輪的厚度忽略不計(jì)；子輪、母輪只發(fā)生純滾動；車子底盤重心與中心重合；3個輪子在同一圓周上；忽略子輪自滾產(chǎn)生的徑向速度的影響。根據(jù)運(yùn)動合成與分解原理，車體的運(yùn)動和驅(qū)動輪的運(yùn)動之間的運(yùn)動關(guān)系如下： 式 2 式 3 式 4根據(jù)機(jī)器人坐標(biāo)系的建立情況及實(shí)際結(jié)構(gòu)可知：=30176。，將其代人并將 式 2 式 3 式 4寫成矩陣形式，可得機(jī)器人的運(yùn)動模型： 式 5令， , 。則 式 5可簡化成：。式中v——全向輪線速度矢量 ，P——變換矩陣 ，s——機(jī)器人期望速度矢量。由此可以很直觀地分析出機(jī)器人做簡單運(yùn)動時(shí)的3個驅(qū)動輪速度。（1）任意方向的直線運(yùn)動此時(shí)機(jī)器人自轉(zhuǎn)角速度，即機(jī)器人平動： 式 6若時(shí)，機(jī)器人做前后直線運(yùn)動；若時(shí)，機(jī)器人做左右直線運(yùn)動。（2）繞質(zhì)心自轉(zhuǎn)此時(shí)機(jī)器人，則3組驅(qū)動輪線速度。為機(jī)器人自轉(zhuǎn)角速度。（3）圓弧運(yùn)動時(shí)，即平動圓弧，車體運(yùn)動憑借和值的不斷變化而改變運(yùn)動方向，從而實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動。時(shí)，即機(jī)器人始終沿著圓弧的切線方向運(yùn)動，車體運(yùn)動為平動加轉(zhuǎn)動。只要根據(jù)小車走圓弧的速度v求出小車自轉(zhuǎn)的角速度w，再疊加上平動的速度，就可以得到機(jī)器人小車走這種圓弧時(shí)3組驅(qū)動輪的速度與時(shí)間的函數(shù)。 足球機(jī)器人的底層運(yùn)動控制本章主要介紹增量式PID算法。先分別介紹他的基本原理和應(yīng)用場合，再把他應(yīng)用到智能小車對目標(biāo)的跟蹤之中，驗(yàn)證他的可用性，并察看每一種算法被應(yīng)用之后有什么效果，也就是看用了每一種算法之后，小車是不是能夠準(zhǔn)確的跟蹤到目標(biāo)，以及小車在向目標(biāo)運(yùn)動過程中的動態(tài)性能的好壞。由于小車的轉(zhuǎn)向和速度控制主要是靠驅(qū)動電機(jī)來控制，所以需要考慮的問題主要是對小車的驅(qū)動電機(jī)的控制。 PID控制原理PID控制器如圖 53 PID控制原理圖所示:比例積分微分受控對象Y（t）U（t）R（t）E（t）++++圖 53 PID控制原理圖上圖中，D (S)為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量和輸入量之間的誤差的時(shí)間函數(shù)的比例、積分、和微分的線性組合。構(gòu)成控制量U。e(t)=r(t)一y(t) 式 7 式 8式中，、為比例常數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)；實(shí)際應(yīng)用中，可以和根據(jù)受控對象的特性和控制性能的要求，靈活的采用不同的控制組合，可以構(gòu)成比例控制器，比例積分控制器，比例一微分控制器，當(dāng)然還有比例積分微分控制器。比例控制能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷積累，再輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。但是，積分作用太強(qiáng)會使得系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。微分控制可以減小超調(diào)量以及克服振蕩。使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。應(yīng)用PID控制，必須適當(dāng)?shù)恼{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時(shí)間和微分時(shí)間，使整個系統(tǒng)得到良好的性能。為了獲得良好的控制效果，需要對PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定。PID控制器參數(shù)的整定需要進(jìn)行對象參數(shù)和過渡性的測試和計(jì)算，或者需要借助于積累的經(jīng)驗(yàn)才能獲得比較滿意的整定結(jié)果。但是PID控制器的參數(shù)整定是一件很麻煩、復(fù)雜的工作，尤其當(dāng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制許多回路時(shí)，其參數(shù)整定的工作量非常大。 PID增量式算法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)作為數(shù)字控制器，可以用程序很簡單又方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制律?？梢哉{(diào)整參數(shù)以得到理想的結(jié)果。與連續(xù)PID控制相比，數(shù)字PID控制有其優(yōu)越性。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PD控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。連續(xù)信號經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲器和寄存器。而在計(jì)算機(jī)中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。在計(jì)算機(jī)中，PID控制律的實(shí)現(xiàn)，也必須用數(shù)值接近法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，可以用求和代替積分，用差分代替微分，使PID控制離散化，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程。設(shè)采樣周期為T，用近似變換方法將 式 8變換為后向差分方程。PID算法的全量算法公式： 式 9增量算法公式:== 式 10其中， 式 11 式 12 式 13k=N*T（N=0，l，2，3…)，為控制量的基值，即k=0時(shí)的控制。q為合并后的各項(xiàng)的系數(shù)。= 式 10表示了各次誤差量對控制作用的影響，而且，增量式PID算法只要存儲最近的三次采樣值就可以了。用增量式PID算法有以下優(yōu)點(diǎn):(1)增量算法不需要作累加，控制量增量的確定僅與最近幾次誤差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差或計(jì)算精度的問題，對控制量的影響較小，而全量算法要用到過去的誤差的積累值，容易產(chǎn)生大的積累誤差。(2)增量式算法得出的是控制量的增量，誤動作影響小，必要時(shí)，通過邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。(3)采用增量式算法，易于實(shí)現(xiàn)由手動到自動的無沖擊切換。圖 54電機(jī)調(diào)速框圖對于速度來說被調(diào)對象的時(shí)間常數(shù)T較小，而且負(fù)荷變化較快，這時(shí)微分作用會引起振蕩，積分作用也不能太強(qiáng)，否則也會引起振蕩，對調(diào)節(jié)質(zhì)量影響較大。所以本系統(tǒng)只使用PI調(diào)節(jié)，如圖 54電機(jī)調(diào)速框圖。 PID參數(shù)的整定原則（1）.在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。（2）.在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)Ti。（3）.在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td。 PID參數(shù)整定的一些經(jīng)驗(yàn)和方法一般所謂的PID參數(shù)整定，需要相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和時(shí)間，通過對系統(tǒng)響應(yīng)波形進(jìn)行分析并調(diào)整。具體方法在本文不作敘述。在本次整定PID參數(shù)的過程中，我們通過串口工具將調(diào)速實(shí)驗(yàn)中的速度(脈沖數(shù))和控制量(PWM占空比)讀出后分析，以推測參數(shù)調(diào)整的方向。特別注意的是，總結(jié)出關(guān)于PID整定的一些經(jīng)驗(yàn):l)對控制對象的不同階躍控制量下的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)要有認(rèn)識。具體來說，應(yīng)該認(rèn)真記錄不同PWM占空比下的動態(tài)響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)值。特別的，在最大控制量(PWM占空比)下，車速上升情況和達(dá)到穩(wěn)態(tài)后撤去控制電壓時(shí)，速度降落情況，代表了系統(tǒng)在最強(qiáng)的控制下的響應(yīng)情況。2)控制的動態(tài)性能要求要和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以及積分項(xiàng)系數(shù)兒緊密結(jié)合考慮，例如要求車速從0開始經(jīng)N個控制周期末達(dá)到某個值，則可以通過穩(wěn)態(tài)值記錄查出對應(yīng)這個給定速度大概需要的PWM占空比，然后結(jié)合對動態(tài)時(shí)間的要求，估計(jì)出需要的兒值。反復(fù)調(diào)節(jié)參數(shù)，卻還對動態(tài)性能不滿意時(shí)，查閱在最大最小控制量下的動態(tài)響應(yīng)記錄，看要求是否在系統(tǒng)的控制能力之內(nèi)。如果不在單向PWM控制能力之內(nèi)，則考慮降低調(diào)速性能要求(轉(zhuǎn)而從能否提前控制角度考慮)或增大控制能力(主要針對降速，可采用雙向PWM控制)。 足球機(jī)器人的行為足球機(jī)器人的行為按其功能一般可分為三類：第一類是跑位，第二類是踢球，第三類是特殊功能動作。下面分別介紹各類功能。 跑