【正文】 到機(jī)器人的三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度分析。3. 圓弧運(yùn)動(dòng) 1）（即平動(dòng)圓弧）因?yàn)?所以車體運(yùn)動(dòng)憑借和值的不斷變化改變運(yùn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動(dòng)。2. 繞質(zhì)心自轉(zhuǎn) 此時(shí)機(jī)器人。1. 任意方向的直線運(yùn)動(dòng) 此時(shí)機(jī)器人組轉(zhuǎn)角速度為0時(shí)，即機(jī)器人平動(dòng)。 將方程（416）、（417）、（418）寫成規(guī)范的矩陣形式，為： （419）其中 、 、如果以固有的世界坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系時(shí)有： （420）其中 ，為機(jī)器人的世界坐標(biāo)，T為坐標(biāo)變換關(guān)系，為車體坐標(biāo)系X軸正方向在世界坐標(biāo)系中的方向角。 分別是機(jī)器人平移速度V在機(jī)器人車體坐標(biāo)系下X和Y軸的分量，是機(jī)器人自轉(zhuǎn)角速度。為了便于分析我們提出下列假設(shè)：(1)小車，驅(qū)動(dòng)輪與地面均為剛體；(2)車輪的厚度忽略不計(jì)；(3)子輪、母輪只發(fā)生純滾動(dòng)；(4)機(jī)器人底盤重心與中心重合；(5)三個(gè)主運(yùn)動(dòng)輪在同一圓周上；(6)忽略子輪自滾產(chǎn)生的徑向速度的影響。將（42）帶入到方程（46）、（47）可得下列方程： （48） L (49) 根據(jù)上述的方程，我們可以得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的微分方程如下所示： （410）其中， 為了將（410）轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)方程形式，進(jìn)行下列時(shí)間和位置變換，假設(shè)、令、將它們代入到方程（410）得到簡化的動(dòng)力學(xué)方程： （411）其中 動(dòng)力學(xué)方程（411）含有三個(gè)方程四個(gè)未知數(shù)，它是個(gè)無法解析出具體結(jié)果的控制方程，為了獲得簡單、易采用處理的最優(yōu)控制，我們加了許多限制條件去解耦方程（411），從而得到可以解析的控制方程，所得解析方程如下： （412） （413） （414）其中、 （415）其中方程（415）是經(jīng)過歸一化的結(jié)果。因?yàn)槿喪前凑?20分布，根據(jù)方程（43）、（44）我們可以得到速度和位移之間的方程： (45)其中， L表示三個(gè)主動(dòng)輪所處圓的半徑。如圖43所示，假設(shè)=（x y）表示在全局坐標(biāo)下中心點(diǎn)的位置向量，則我們可以得到三個(gè)主動(dòng)輪的位置和速度方程。對(duì)于直流電機(jī)而言，它的運(yùn)動(dòng)控制特性滿足下列方程：T= (41) 其中, U表示電機(jī)兩端的電壓(v)，表示電機(jī)的角速度(rad/s)，（）、（）表示直流電機(jī)常數(shù)。這樣的目的就是可以實(shí)現(xiàn)任意方向的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)力學(xué)模型的建立和它控制對(duì)象的特性密切相關(guān)，不一樣的機(jī)器人結(jié)構(gòu)所建立的動(dòng)力學(xué)模型都不一樣。這都依賴于系統(tǒng)控制方程的建立。三級(jí)之間采用一些接口參數(shù)進(jìn)行彼此聯(lián)系。為了解決好決策與姿態(tài)控制之間的關(guān)系，解決好多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制所帶來的問題，我采用分級(jí)控制的處理方法。機(jī)器人的許多動(dòng)作，例如走直線、轉(zhuǎn)彎、射門、帶球、傳球等動(dòng)作既可以在決策中完成，也可以在姿態(tài)控制部分完成，兩者都需要占用較多的CPU運(yùn)算時(shí)間。圖41 足球機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心，機(jī)器人的每一個(gè)動(dòng)作都需要經(jīng)過決策、姿態(tài)控制、電機(jī)運(yùn)行、信號(hào)檢測(cè)循環(huán)過程。 主控單元采用DSP作為系統(tǒng)的處理器，接收?qǐng)鼍靶畔⒉⑻幚?，進(jìn)行整體戰(zhàn)術(shù)決策分析。在比賽過程中機(jī)器人始終處于動(dòng)態(tài)，同時(shí)要求速度快、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和準(zhǔn)確等，但是對(duì)于慣性系統(tǒng)而言兩者是矛盾的，速度越快，系統(tǒng)的慣性越嚴(yán)重，控制比較困難?？刂葡到y(tǒng)要以最優(yōu)的控制方式來完成比賽過程中的各種技術(shù)動(dòng)作，所謂的最優(yōu)控制是指：兩個(gè)動(dòng)作之間的平穩(wěn)切換、動(dòng)作組合、運(yùn)動(dòng)慣性的控制、電機(jī)特性控制、路徑規(guī)劃、快速準(zhǔn)確的定點(diǎn)移動(dòng)等。同時(shí)足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)是個(gè)群體機(jī)器人協(xié)調(diào)作戰(zhàn)系統(tǒng)，如同人類足球競技比賽一樣，每個(gè)機(jī)器人不僅要充當(dāng)整體角色中的一員，而且自身也要具備很強(qiáng)的單兵作戰(zhàn)能力。下圖(310)就是我所設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)電路原理圖。它們是紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器信號(hào)前置放大模塊，紅外發(fā)光管選通模塊，信號(hào)處理模塊等組成。根據(jù)前面的傳感器系統(tǒng)方案我設(shè)計(jì)了傳感器系統(tǒng)電路。經(jīng)處理后輸出的是電壓模擬信號(hào)，直接輸送到主控芯片DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)的運(yùn)作流程是：由主控芯片DSP輸出選通信號(hào)，信號(hào)通過選通電路來選擇某路傳感器工作，驅(qū)動(dòng)這路傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，而相對(duì)應(yīng)的紅外光電管的輸出信號(hào)被選擇進(jìn)入信號(hào)處理電路，如果加上調(diào)制電路的作用，紅外發(fā)光管發(fā)出的是脈沖紅外光。如果再考慮采用脈沖調(diào)制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管，就可以使能耗再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。機(jī)器人的能量來源于電池，降低能耗對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要，而且從減輕機(jī)器人總體質(zhì)量，提高運(yùn)動(dòng)靈活性角度出發(fā)，要盡可能少帶電池，所以必須要在不影響傳感器正常的工作的情況下大幅度的減小功耗。圖38 紅外線傳感器原理和傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖每一路傳感器都是由紅外發(fā)光管，紅外光電管，發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路，光電管信號(hào)前置放大電路等組成。近距離紅外傳感器測(cè)量原理如圖(38)所示，紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，接收管接收的光強(qiáng)隨反射物體的距離變化，所以可以判斷前方是否有障礙物同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)弱來判斷物體的距離。下面是ADXL202的管腳封裝和它的管腳說明：ADXL202管腳說明PIN FUNCTION DESCRIPTIONS引腳名稱描述1，6，8NC空腳 No Connect2V測(cè)試點(diǎn)，應(yīng)用懸空 Test Point, Do Not Connect 3ST自檢測(cè)點(diǎn)，自檢測(cè)時(shí)接V，應(yīng)用時(shí)接地或懸空Self Test 4，7COM公共地 Common 5T2R的接入點(diǎn)，用于設(shè)置DCM調(diào)制周期Connect R to Set T2 Period 9YY軸循環(huán)數(shù)字信號(hào)輸出點(diǎn)Y Axis Duty Cycle Output 10XX軸循環(huán)數(shù)字信號(hào)輸出點(diǎn)X Axis Duly Cycle Output 11YY軸濾波電容接入點(diǎn)或Y軸模擬信號(hào)輸出點(diǎn)Connect Cupaeltor for Y Filter 12XX軸濾波電容接入點(diǎn)或X軸模擬信號(hào)輸出點(diǎn)Connect Cupaeltor for X Filter 13，14V電源 +3V to + Connect to 13(14)根據(jù)以上的功能設(shè)計(jì)出電路板上所用的加速度計(jì)電路如下：圖37 加速度計(jì)設(shè)計(jì)電路由以上的電路產(chǎn)生的信號(hào)通過Xout, Yout，通過前期信號(hào)處理返回到主控板，給控制策略提供輔助的機(jī)器人本體信息，從而提高機(jī)器人控制的平穩(wěn)性和快速性。下圖37是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：圖36 加速度計(jì)ADXL202的內(nèi)部圖其中Xout,Yout為兩個(gè)輸出端口，輸出的是X、Y兩個(gè)方向的加速度。它可以測(cè)量正負(fù)加速度。選用ADXL202具有下列優(yōu)點(diǎn)：首先它是集成在單片集成電路上的一個(gè)完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)。下面分別來討論加速度傳感器和近紅外探測(cè)傳感器的工作原理及其電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。所以需要機(jī)器人本體提供的輔助信息越多越詳細(xì)越好，單純依靠碼盤、電流檢測(cè)和視覺等形成的控制閉環(huán)信息還是太過于偏少。為了使系統(tǒng)調(diào)試的方便，而且?guī)蚝蛽羟蛞蟛顒e不多，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)螂姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成和擊球電機(jī)一樣。在比賽中，帶球電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)帶球跟著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，所以帶球電機(jī)只需要單方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)于速度的調(diào)節(jié)不作要求，而擊球電機(jī)實(shí)現(xiàn)擊球功能時(shí)候需要在擊球機(jī)構(gòu)打出去的同時(shí)收回來，所以擊球電機(jī)需要雙向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)因?yàn)楸荣惖臅r(shí)候，傳球力度和擊球力度完全不一樣，所以需要對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于系統(tǒng)考慮還沒有完全實(shí)現(xiàn)傳球功能，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候也省去了擊球電機(jī)速度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)。同時(shí)將電流檢測(cè)信號(hào)AN2返回到主控芯片從而形成電流環(huán)。如下圖(34)，設(shè)計(jì)中采用4AM11作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具體控制時(shí)候由TMS320lf2407輸出PWM信號(hào)和兩個(gè)方向信號(hào)，通過與門輸入到驅(qū)動(dòng)芯片4AM 11，然后將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出到電機(jī)的接口端。而且PWM控制所需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞的電感就己經(jīng)足夠了，從而不需要外加濾波裝置，且電機(jī)的發(fā)熱小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。PWM控制方法就是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列，通過控制電壓脈沖序列的寬度或周期從而達(dá)到改變電壓的目的，或者通過改變電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。假設(shè)電機(jī)的電樞端串聯(lián)個(gè)電阻R，接在直流電源的兩端，其中直流電源的電壓為，所以 (32)顯然通過改變電阻R就可以改變電機(jī)兩端的電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。其中勵(lì)磁控制法通過改變電極的磁通量 來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，但是這種控制方法在低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的限制，所以它的控制功率比較小，同時(shí)由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。 直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速n符合下列公式： n = (rpm) (31) 其中 ：：電樞電壓（v）, ：電樞電流(A), ：表示電樞電路總電阻()，：電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，：電極的磁通量(wb) 。 由于不同的電機(jī)類型有著不同的運(yùn)動(dòng)特性，所以采用的方法也往往不同。電機(jī)是控制系統(tǒng)的輸出端和執(zhí)行元件，所以電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響足球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。碼盤芯片復(fù)位后，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，HCTL2000的計(jì)數(shù)值從0開始增計(jì)數(shù)，反轉(zhuǎn)時(shí)從4096開始減計(jì)數(shù)。圖中HCTL2000工作在12M 頻率。設(shè)計(jì)中通過采用GAL譯碼，將HCTL2000芯片作為DSP的I/O外設(shè)映射TMS320LF2407A DSP的I/O空間的0X0000地址，DSP通過I/O操作指令訪問I/O空間的0X000口地址，從而通過數(shù)據(jù)總線讀取電機(jī)碼盤信號(hào)。我們采用碼盤接口芯片HCTL2000與DSP接口來實(shí)現(xiàn)第三路碼盤信號(hào)的檢測(cè)、相、計(jì)數(shù)。主控系統(tǒng)硬件框圖如下圖32所示。同時(shí)也分析了足球機(jī)器人所需要的各種功能結(jié)構(gòu)，所以機(jī)器人主控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的具體功能如下： 1)驅(qū)動(dòng)三個(gè)獨(dú)立的主運(yùn)動(dòng)電機(jī)，使機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)功能； 2)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的帶球，擊球電機(jī)，使機(jī)器人具有帶球和擊球的功能；3)六路近紅外傳感器檢測(cè)，用以實(shí)現(xiàn)小車控制的近距離避障以及檢測(cè)球是否在機(jī)器人被控范圍，從而提高擊球的準(zhǔn)確性； 4)三路主電機(jī)的電流信號(hào)檢測(cè)，從而實(shí)時(shí)完成電機(jī)的電流控制； 5)加速度計(jì)傳感器檢測(cè)，用以計(jì)算機(jī)器人車體的加速度信息，從而進(jìn)行機(jī)器人控制； 6)與無線通訊系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)決策信息的接受；7)三主運(yùn)動(dòng)電機(jī)碼盤信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)時(shí)完成電機(jī)速度控制。而且由于DSP的高性能的運(yùn)算能力，為采用復(fù)雜控制算法例如PID控制、自適應(yīng)控制以及卡爾曼濾波等等提供了高可靠性和可編程性，從而提高了電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和整個(gè)系統(tǒng)的性能。它具有實(shí)時(shí)運(yùn)算，工作靈活，功耗低(采用3. 3V工作電壓)等優(yōu)點(diǎn) 其基本的特點(diǎn)如下：1)LF2407具有16位定點(diǎn)CPU內(nèi)核，其運(yùn)行速度為40MIPS，指令執(zhí)行時(shí)間為25ns；2)整個(gè)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為 128K*16位 存儲(chǔ)空間，其中32K*16位片上FLASH, ，并具有64k的I/0尋址空間；3)16路10位的片上A/D接口；4)豐富的電機(jī)控制接口：存在多路PWM控制輸出、正交解碼接口、脈沖捕獲單元和3路定時(shí)器，滿足實(shí)時(shí)電機(jī)控制要求；5)豐富的通訊接口：UART串行接口(SCI)、CAN總線標(biāo)準(zhǔn)接口，具有SPI同步串行外設(shè)接口；6)具有片上安全監(jiān)控功能：如看門狗，電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)等；7)豐富的I/0口。由于目前的足球機(jī)器人車體多為三輪或四輪，采用單片機(jī)對(duì)實(shí)現(xiàn)多電機(jī)控制來說，其硬件設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，算法控制實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，所以我們采用美國TI(德州儀器)公司的TMS320LF2407A微控制器，2407 DSP控制器具有豐富的外圍接口，它將DSP的高速控制能力和面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，使機(jī)器人控制系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)大大簡化，而且算法控制的實(shí)時(shí)行提高，使系統(tǒng)更為簡單，穩(wěn)定可靠。它的選擇不僅決定了主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，同時(shí)制約了其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但是在實(shí)際當(dāng)中要實(shí)現(xiàn)以CPU電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候，CPU模塊每個(gè)模塊都要進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，從而來實(shí)現(xiàn)具體的控制系統(tǒng)。本章首先根據(jù)控制對(duì)象的控制要求來分析系統(tǒng)所需要的硬件結(jié)構(gòu)，然后針對(duì)每一部分進(jìn)行詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)分析。(5)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：尺寸限制、功能要求運(yùn)動(dòng)功能等(6)機(jī)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶球機(jī)構(gòu)、擊球機(jī)構(gòu)。 (3)足球機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)：決策控制和運(yùn)動(dòng)控制。、圖29 足球機(jī)器人傳感器本章主要對(duì)足球機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)設(shè)計(jì),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)。目的就是為了保證機(jī)器人的擊球機(jī)構(gòu)擊