引言

    機器人足球的最初想法由UniversityofBritishColumbia,Canada的AlanMackworth教授于1992年正式提出。他在OnSeeingRobots一文中以機器人足球為例，指出傳統(tǒng)的機器人研究中存在的不足：DefiniteKnowledge,CompleteKnowledge,StaticEnvironment,DeterministicWorld,DiscreteSequentialActions...。隨后，眾多學(xué)者和科技人員對機器人足球的可行性及技術(shù)問題進(jìn)行了研究。在一些實驗室或研究所之間也相繼開展了小型的比賽。

    機器人足球是一個綜合性的項目，它涉及眾多的傳統(tǒng)理論和前沿技術(shù)。機器人制造本身就集合了結(jié)構(gòu)工程、電子電路、精密機械、仿生材料等多種技術(shù)，而計算機、自動控制、傳感、無線通訊等技術(shù)則是機器人能夠運動和踢球所不可缺少的，多個機器人之間的配合更是涉及比較復(fù)雜的關(guān)于多主體的協(xié)調(diào)、合作與策略等問題。在第15屆國際人工智能聯(lián)合大會上，由Kitano,Veloso和Tambe等來自美、日、瑞典的9位國際著名或知名學(xué)者聯(lián)合發(fā)表重要論文"TheRoboCupsyntheticagentchallenge97"，系統(tǒng)闡述了機器人足球的研究意義、目標(biāo)、階段設(shè)想、近期主要內(nèi)容和評價原則。概括的說，過去50年中人工智能研究的主要問題是“單主體靜態(tài)可預(yù)測環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是國際象棋人－機對抗賽；未來50年中，人工智能的主要問題是“多主體動態(tài)不可預(yù)測環(huán)境中的問題求解”，其標(biāo)準(zhǔn)問題是足球的機－機對抗賽和人－機對抗賽。由此可見機器人足球具有重要的意義。

    運動控制器是移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)，對機器人的平穩(wěn)運行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動機器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對運動控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計實現(xiàn)智能移動機器人的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動機器人硬件和軟件的開發(fā)，掌握移動機器人的運動控制特性，為后續(xù)的移動機器人的功能擴展搭建一個可行、穩(wěn)定的平臺，而這個平臺則可以作為多種機器人開發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺。實現(xiàn)智能移動機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的現(xiàn)實意義，將為以后的移動機器人開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

1、足球機器人的系統(tǒng)原理組成

    RoboCup中型組比賽是由兩支各有多個自主式足球機器人的球隊在標(biāo)準(zhǔn)場地進(jìn)行的比賽，自主式足球機器人系統(tǒng)如圖1所示，場上的每個機器人都具有完全的自主能力，自身具有獨立的傳感器系統(tǒng)、決策系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)，機器人將各自搜集到的信息同本隊的其它自主機器人溝通，通過機器人本體或場外監(jiān)控站上數(shù)據(jù)融合得到所需的信息，然后根據(jù)這些信息進(jìn)行決策，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。

圖1自主式足球機器人系統(tǒng)

    足球機器人系統(tǒng)分為下面幾個部分：

    1）機器人小車子系統(tǒng)

    2）視覺子系統(tǒng)

    3）無線通訊子系統(tǒng)

    4）機器人控制子系統(tǒng)

    5）決策子系統(tǒng)

    上述五個子系統(tǒng)構(gòu)成了大的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。決策系統(tǒng)的指令通過無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給機器人小車系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)根據(jù)指令控制機器人相應(yīng)的運動，再由視覺子系統(tǒng)采集場地信息，反饋給決策系統(tǒng)，完成閉環(huán)控制。

圖2足球機器人系統(tǒng)組成原理圖

    機器人小車子系統(tǒng)是比賽的本體部分，其性能的好壞直接關(guān)系到比賽的結(jié)果。它設(shè)計的關(guān)鍵在于機器人的軟硬件設(shè)計。

    視覺子系統(tǒng)是整個比賽的最終檢測反饋機構(gòu)，它扮演機器人的“眼睛”。它的主要任務(wù)是利用攝像頭實時采集比賽場地上的圖像信息，通過圖像卡處理并且辨別這些圖像，得到場地上運動物體(包括雙方8個機器人和球)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是每個機器人的橫坐標(biāo)X、縱坐標(biāo)Y和其方向角度，并且將這些數(shù)據(jù)傳給主機，以供主機上的決策系統(tǒng)進(jìn)行分析決策使用。

    無線通訊子系統(tǒng)的作用主要是完成決策指令的傳輸，將決策系統(tǒng)的結(jié)果發(fā)送給各個機器人，使其執(zhí)行相關(guān)的動作。

    決策系統(tǒng)上接視覺子系統(tǒng)，下連通訊子系統(tǒng)，是整個智能系統(tǒng)的中心樞紐，是系統(tǒng)的“大腦”，它主要功能是根據(jù)圖像系統(tǒng)提供的一系列的場景信息與及各種傳感器信息，對本方機器人的運動做出最佳的決策，同時將機器人的運動指令通過無線通訊系統(tǒng)傳給機器人。它的優(yōu)劣關(guān)系到機器人的智能化水平以及比賽的成敗。

    控制系統(tǒng)是決策系統(tǒng)和機器人本體之間的聯(lián)接部分，它是機器人運動的核心處理部分，如果決策系統(tǒng)是教練，那控制系統(tǒng)就是隊員的本領(lǐng)，它的好壞關(guān)系到機器人體現(xiàn)決策系統(tǒng)指令的好壞。它的作用就是根據(jù)一定的算法來解析決策系統(tǒng)的指令將它轉(zhuǎn)化為具體的機器人的運動指令，并且控制機器人實現(xiàn)相應(yīng)運動。

2、足球機器人控制電路系統(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(jìn)行精確的閉環(huán)速度控制；

    (5)對機器人供電電池組進(jìn)行DC-DC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(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：

    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(jìn)行實時調(diào)速控制。

    ③DC-DC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3所示：

圖3足球機器人電路系統(tǒng)框圖

3、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(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(EventManagers)，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，375-500ns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。

4、DC-DC升壓電路模塊設(shè)計

    機器人在比賽中需要“踢球”，也就是將一個重量為46克的高爾夫球擊出，所以需要設(shè)計一個擊球系統(tǒng)，并要求將球擊出的初速度最高達(dá)到5m/s并能夠控制。經(jīng)過分析和實驗，使用200v以上的直流電壓來驅(qū)動電磁鐵可以使得機器人“踢球”的最大速度達(dá)到5m/s。這就需要設(shè)計DC-DC升壓電路將10v的機器人電池電壓變換成200v以上。

    利用開關(guān)電源的原理，設(shè)計升壓電路如圖4所示：

圖4DC-DC升壓電路模塊原理圖

    大功率MOS管是一個電子開關(guān)，PWM發(fā)電器發(fā)出的PWM波控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷。

    當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電源與電感組成一個回路。此過程中，回路電流線性上升，電源將能量儲存到電感線圈中。當(dāng)MOS管關(guān)斷時，電源電感與儲能電容組成回路。此過程中，電感會因為電流下降而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓與電源電壓疊加給儲能電容沖電。這樣儲能電容兩端就可以得到遠(yuǎn)高于電源電壓的電壓。

    PWM發(fā)生器發(fā)出的PWM波控制MOS管以3.6KHz高速地導(dǎo)通和關(guān)斷，該升壓電路就能不斷的給儲能電容充電。當(dāng)儲能電容中的電壓達(dá)到我們預(yù)先設(shè)定的電壓時，PWM發(fā)生器停止工作，充電電路停止給儲能電容充電。如果儲能電容因為驅(qū)動電磁鐵等原因造成電壓下降，就會觸發(fā)PWM發(fā)生器。PWM發(fā)生器將重新開始工作，給儲能電容充電。通過這樣的過程，就可以把儲能電容中的電壓維持在設(shè)定的電壓上。

5、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(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(jìn)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1所示：

表1SCI傳輸握手信號狀態(tài)表

    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。

    下圖為系統(tǒng)的主、從MCU的軟件流程圖。

圖5主、從MCU軟件流程圖

6、結(jié)論

    本文將研究工作集中在了機器人的運動控制算法和控制電路系統(tǒng)設(shè)計方面。在運動控制研究方面。針對四輪全向足球機器人組成的球隊，本文提出了適用的運動控制模式和運動控制算法。該模式將運動控制分為兩個主要環(huán)節(jié)：速度軌跡生成和速度軌跡跟隨。針對機器人控制算法要求，作者設(shè)計了以主一從式雙DSP為核心的控制電路設(shè)計方案。改方案能有效的簡化電路設(shè)計，增加可靠性，降低成本。