【正文】 下面分別介紹各類功能。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)。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)時間的要求，估計出需要的兒值。具體來說，應(yīng)該認真記錄不同PWM占空比下的動態(tài)響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)值。在本次整定PID參數(shù)的過程中，我們通過串口工具將調(diào)速實驗中的速度(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。 PID參數(shù)整定的一些經(jīng)驗和方法一般所謂的PID參數(shù)整定，需要相當?shù)慕?jīng)驗和時間，通過對系統(tǒng)響應(yīng)波形進行分析并調(diào)整。（2）.在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)Ti。所以本系統(tǒng)只使用PI調(diào)節(jié)，如圖 54電機調(diào)速框圖。(3)采用增量式算法，易于實現(xiàn)由手動到自動的無沖擊切換。用增量式PID算法有以下優(yōu)點:(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)，計算誤差或計算精度的問題，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。q為合并后的各項的系數(shù)。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。在計算機中，PID控制律的實現(xiàn)，也必須用數(shù)值接近法。連續(xù)信號經(jīng)過采樣和量化后，變成數(shù)字量，進入計算機的存儲器和寄存器。與連續(xù)PID控制相比，數(shù)字PID控制有其優(yōu)越性。 PID增量式算法在計算機控制系統(tǒng)中，計算機作為數(shù)字控制器，可以用程序很簡單又方便的實現(xiàn)數(shù)字PID控制律。PID控制器參數(shù)的整定需要進行對象參數(shù)和過渡性的測試和計算，或者需要借助于積累的經(jīng)驗才能獲得比較滿意的整定結(jié)果。應(yīng)用PID控制，必須適當?shù)恼{(diào)整比例放大系數(shù)，積分時間和微分時間，使整個系統(tǒng)得到良好的性能。微分控制可以減小超調(diào)量以及克服振蕩。因而，只要有足夠的時間，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。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。比例控制能迅速反映誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。構(gòu)成控制量U。 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。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的跟蹤之中，驗證他的可用性，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，小車是不是能夠準確的跟蹤到目標，以及小車在向目標運動過程中的動態(tài)性能的好壞。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，就可以得到機器人小車走這種圓弧時3組驅(qū)動輪的速度與時間的函數(shù)。（3）圓弧運動時，即平動圓弧，車體運動憑借和值的不斷變化而改變運動方向，從而實現(xiàn)圓弧運動。（2）繞質(zhì)心自轉(zhuǎn)此時機器人，則3組驅(qū)動輪線速度。由此可以很直觀地分析出機器人做簡單運動時的3個驅(qū)動輪速度。則 式 5可簡化成：。根據(jù)運動合成與分解原理，車體的運動和驅(qū)動輪的運動之間的運動關(guān)系如下： 式 2 式 3 式 4根據(jù)機器人坐標系的建立情況及實際結(jié)構(gòu)可知：=30176。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動控制。圖 51機器人坐標建立對于三輪全向輪機器人，在其運動過程中，也可以建立以機器人中心為參考點的極坐標系如圖 52三輪全向機器人的姿態(tài)在極坐標下的表示 ，在此不再詳述。 足球機器人的控制實現(xiàn) 坐標系的確定機器人工作空間為一平面，建立如圖 51機器人坐標建立 所示的絕對坐標系 與相對坐標系 。此通道在設(shè)計中未使用。3. 通道2接口。2. 通道1接口。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。表 44 nRF2401配置字描述1. 編程配置接口。nRF2401各管腳可直接與單片機或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。nRF2401使用時，首先要對其初始化，通過基帶微控制器對芯片內(nèi)部寄存器進行設(shè)置，設(shè)定工作頻率、發(fā)射功率等參數(shù)；當nRF2401進入正常工作狀態(tài)后，通過數(shù)據(jù)傳輸方式，微控制器進行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)或進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。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。與藍牙不同的是，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。nRF2401支持多點間通信，最高傳輸速率超過1Mbit/S,而且比藍牙具有更高的傳輸速度。下面對它進行介紹。決策子系統(tǒng)對車型機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)給本方所有機器人，各機器人根據(jù)自身編號讀取數(shù)據(jù)幀的不同字段，獲得自己的運動控制指令。決策系統(tǒng)計算得到的數(shù)據(jù)將傳給通訊子程序，通過計算機串口發(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。機器人子系統(tǒng)通過無線接收器接收主機的命令字，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。 無線通訊電路在集控式足球機器人系統(tǒng)中，主機和機器人之間以無線方式進行通訊。在該部分的軟件設(shè)計先取數(shù)據(jù)輸出顯示，顯示后緊接著查詢Key端口（對應(yīng)位碼）是否為低電平，如果為低電平則記錄送出的位碼信息。其工作原理如下：LPC2138通過MOSI0端口，將需要顯示數(shù)據(jù)的端碼和位碼信息在SCLK脈沖的控制下分別移入到兩片74HC164中，段碼在第一個74HC164中，位碼在第二個74HC164中。圖 412竄口通訊電路機器人的串口通訊模塊主要在調(diào)試時使用，和上位機相連的發(fā)送模塊通過串口與PC相互通信，上位機發(fā)出的命令通過串口由發(fā)送模塊發(fā)送到各足球機器人，從而實現(xiàn)上位機和下位機的通信和遠程控制。其工作原理如下：PC機側(cè)的邏輯電平為（+3~+12V表示邏輯0，3~12V表示邏輯1），而ARM側(cè)的邏輯電平為，所以電路設(shè)計一定要有電平轉(zhuǎn)換。精確計量A,B兩相脈沖信號的輸出脈沖數(shù)，就可得到編碼器所檢測的絕對位移量。為了判別旋轉(zhuǎn)的方向，增量式光電編碼器A,B兩相矩形脈沖輸出相位差為90度。光電三極管接收到這些明暗交替的光電信號，經(jīng)放大整形后，輸出矩形脈沖。圖 410 光電編碼器光源部分由2只紅外二極管組成，接收電路中的接收單元由2只光電三極管組成，與前者一一對應(yīng)，編碼盤由主光柵和指示光柵組成。圖 49 光電檢測電路光電編碼器具有內(nèi)部光碼盤(尺)的固有分辨率極高，使用方便，輸出脈沖信號與數(shù)字電路兼容，且抗電干擾能力強的特點，比模擬檢測方式有更明顯的優(yōu)越性。電機控制原理圖如圖 48所示。L298N的SENA，為電流反饋引腳。12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)，真值表如Error! Reference source not 。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳號。 圖 47 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖它內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。伺服電機接在 PWM的兩端，即圖 46中的A和B兩端，如果T1/T4導(dǎo)通時間比T2/T3導(dǎo)通時間長，則電機正轉(zhuǎn)；反之則反轉(zhuǎn)；如果導(dǎo)通時間相等，則電機停止不動，即在兩組晶體管上加對稱方波，則電機會在某一點高頻振動，保持相對靜止，電機仍舊消耗能量。在實際工作時靠晶體管上施加不同占空比的脈沖信號來控制電機的正反轉(zhuǎn)。H型結(jié)構(gòu)的功率管T1/T4和T2/T3配對工作。最常用的PWM功率放大器是橋式PWM功放電路，又稱H型功放電路，是由晶體管構(gòu)成的雙極性橋式PWM功放電路的結(jié)構(gòu)圖。在每個固定長度的周期中有一個脈沖出現(xiàn)，該固定長度的周期稱為PWM周期，其倒數(shù)稱為PWM頻率。其優(yōu)越性在于驅(qū)動電子設(shè)備的簡單性和計算機接口的容易性。圖 45系統(tǒng)總體框圖 各個執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動和控制電路 運動機構(gòu)控制電路及其原理1. PWM調(diào)速原理為了控制直流電動機，需用半導(dǎo)體功率器件進行驅(qū)動。原理圖如圖 44 JTAG接口電路所示。圖 43 系統(tǒng)時鐘電路(4) JTAG接口電路采用ARM公司提供的標準20腳JTAG仿真調(diào)試接口。圖 42 系統(tǒng)復(fù)位電路(3) 系統(tǒng)時鐘電路，同時也為了準確設(shè)置串口通信波特率。圖 41系統(tǒng)電源電路(2) 復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源監(jiān)控和電源監(jiān)控可靠性等諸多也提供了更高的要求，因此復(fù)位電路使用帶存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI30，提高了系統(tǒng)的可靠性。其特點為輸出電流大，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。電源經(jīng)78M05穩(wěn)壓至5V， 再經(jīng)過SPXI l 。 最小系統(tǒng)ARM處理器可以工作的最小系統(tǒng)一般由電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘等構(gòu)成。CPU最高操作頻率可達60MHz，能快速的完成指令。具有I178。本文中央處理器選用的是LPC2138，它是NXP公司生產(chǎn)的以ARM7TDMI為核心的微處理，小型的LQFP封裝，體積只有7 * 7mm，并且由周立功公司做成了最小系統(tǒng)的PACKE板，即插即用，這樣可以大大減少控制板的尺寸。其中，ARM7TDMI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器。l 主頻最高可達130MIPS高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的應(yīng)用場合。l 對操作系統(tǒng)的支持廣泛。l 。(3) ARM7TDMI處理器ARM7系列微處理器為低功耗的32位 RISC處理器，ARM7處理器具有如下的特點：l 具有嵌入式ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。l 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。l 由于ARM處理器具有上述結(jié)構(gòu)上的特點，使得它具備了很多優(yōu)點:體積小、低功耗、低成本、高性能。l 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。l 所有的指令都可以根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率。l 使用單周期指令，三級流水線操作執(zhí)行。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。表 41幾種處理器比較種類89C5180C196TMS320F240ARMLPC2138項目速度12MHz12MHz20MHz60MHz指令周期1000ns1000ns50ns25ns位數(shù)8bit16bit16bit32bitRAM128byte256byte544byte32k(SRAM)FlashROM4k無16k512k定時器2232URAT1112A/D無10bit*810bit*1610bit*8D/A無無無10bit*1PWM無3126Watch Dog無111Pins406813264ARM (Advanced RISC Machines )，既可以認為是一個公司的名稱，也可以認為是對一類處理器的通稱。同時使得機器人控制板的結(jié)構(gòu)尺寸可以做得更小?？梢哉f，用單片機和DSP實現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實現(xiàn)。ARM本身是32位處理器，但是集成了16位的Thumb指令集，這使得ARM可以代替16位的處理器例如C51系列單片機使用，同時具有32位處理器的速度。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強、速度快等優(yōu)點，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機，且其資料相對不多，芯片價格和相應(yīng)的開發(fā)套件昂貴，專用性比較強，通用性比較弱，表 41幾種處理器比較是幾種處理器的比較 。 主芯片介紹及選擇足球機器人小車底層控制系統(tǒng)的核心是微控制器，作為機器人控制器的核心部件，高性能的CPU是必需的，選擇一個什么樣的微控制器對于機器人小車的性能、控制系統(tǒng)的設(shè)計方式有很大的影響，應(yīng)具體分析控制系統(tǒng)的特征和要求進行微控制器的選擇，應(yīng)以整個足球機器人系統(tǒng)的控制速度和機器人小車的智能化水平兩個方面為立足點，以如下幾個方面為依據(jù)來選擇合適的微控制器：l 系統(tǒng)時鐘速度l 運算速度l 功能l 兼容性l 通信方式及通信速率l 電機控制方式l 控制板的結(jié)構(gòu)尺寸目前應(yīng)用在機器人底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP和8位，16位單片機兩種類型，單片機主要使用8位，16位處理器，硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對簡單。而機器人技術(shù)則是機電產(chǎn)品中，最具知識含量和技術(shù)水平的技術(shù)之一。第4章 足球機器人的電路系統(tǒng)分析與設(shè)計 引言嵌入式系統(tǒng)有著非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括:工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境監(jiān)測和機器人控制等方面。之后關(guān)閉電機即可。 挑球機構(gòu)翻板機構(gòu)與帶球滾軸使用同一根用軸承接合的復(fù)合軸，上邊緊固一個翻板，一端與一個電機相連。擊球方式對球的速度也產(chǎn)生很大的影響。輸出力量越大，行程越長，其輸出的功就越大。由以上分析可知道，影響擊球的效果的主要原因有三個：電磁鐵的性能、擊桿和球的質(zhì)量、擊球方式。因為滾輪滾動的時候球滾的很遠，此時滿足a = ζR，由此可以得到l = 2R/5。由于摩擦力相對F可以忽略不計，因此滿足Jζ=Fl